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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanisch getrennten Übertragung
eines Signals, insbesondere eines Schaltsignals zur Ansteuerung
wenigstens eines Schaltmittels, wobei die galvanische Trennung über einen
Transformator erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltung
umfassend einen Transformator zur galvanischen Signaltrennung.
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Im
Stand der Technik ist es bekannt, zur galvanisch getrennten Übertragung
eines Signals, und damit zur potentialfreien Übertragung, beispielsweise Transformatoren
einzusetzen, die in diesem Fall oftmals auch als Signalübertrager
bezeichnet werden. Die Übertragung
eines Signals über
einen solchen Transformator erfolgt hierbei aufgrund von Induktion in
den beteiligten Spulen des Transformators.
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Ebenso
ist es beispielsweise bekannt, zur galvanisch getrennten Signalübertragung
auch sogenannte Optokoppler zu verwenden, bei denen ein Signal zwischen
beteiligten Bauteilen eines Optokopplers optisch weitergeleitet
wird.
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Gerade
die letztgenannte Möglichkeit
unter Einsatz von Optokopplern erweist sich als teuer und hat eine
hohe Verlustleistung, insbesondere bei hohen Schaltgeschwindigkeiten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltung bereitzustellen,
mit der eine galvanisch getrennte potentialfreie Übertragung
von Signalen über einen
Transformator möglich
ist, wobei ein einfacher Aufbau, geringe Verlustleistungen sowie
auch eine kostengünstige
Realisierung, insbesondere bei geringem Platzbedarf, erreicht wird.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß bezogen auf
das Verfahren dadurch gelöst,
dass an eine Primärseite
eines Transformators eine pulsbreitenmodulierte Spannung angelegt
wird, bei der unterschiedliche Tastverhältnisse unterschiedliche Signalzustände kennzeichnen
und wobei die sekundärseitig
erhaltene Spannung mittels einer elektronischen Schaltung gewandelt
wird in wenigstens eine vom Tastverhältnis abhängige Signalspannung, wobei
die Größe dieser
Signalspannung einen Signalzustand repräsentiert.
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Durch
dieses verfahrensmäßige Vorgehen wird
ein besonders kostengünstiger
Aufbau realisierbar, da hier auf elektronische Komponenten einfacher
und kostengünstiger
Art zurückgegriffen
werden kann. So wird hier in einfacher Weise eine pulsbreitenmodulierte
Spannung verwendet, bei der beispielsweise in einer besonders vorteilhaften
Ausgestaltung das Spannungsniveau eines jeden Pulses immer konstant
ist, bevorzugt ebenso die Frequenz der pulsbreitenmodulierten Spannung,
wobei dann das zu übertragende
Signal in unterschiedlichen Tastverhältnissen kodiert sein kann,
d.h. letztendlich in unterschiedlichen zeitlichen Breiten der eingeschalteten
Spannungspulse. So kann beispielsweise ein Tastverhältnis, bei
dem ein eingeschalteter Spannungspuls ein Drittel der Gesamtzeit
der Periodendauer ausmacht, einen ersten Signalzustand repräsentieren
und ein Tastverhältnis,
bei dem ein eingeschalteter Spannungspuls zwei Drittel der gesamten Periodendauer
ausmacht, einen zweiten Signalzustand repräsentieren.
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Da
es sich bei einer pulsbreitenmodulierten Spannung jeweils um eine
sich zeitlich ändernde Spannung
handelt, ist ein derartiges pulsbreitenmoduliertes Signal in einfacher
Weise über
einen Transformator galvanisch getrennt zu übertragen. In Abweichung von
dem oben genannten Beispiel können selbstverständlich beliebige
Tastverhältnisse
vorgesehen werden, insbesondere wobei nicht nur zwei Signalzustände innerhalb
einer pulsbreitenmodulierten Spannung kodiert werden können, sondern
auch noch mehrere Zustände,
beispielsweise drei verschiedene Zustände bei einer beispielhaften
Festlegung der Tastverhältnisse
von ein Viertel, zwei Viertel und drei Viertel der Periodendauer
oder letztendlich auch beliebige andere Tastverhältnisse und beliebig viele
unterschiedliche Signalzustände.
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Die Übertragung
der Signalzustände
durch die pulsbreitenmodulierte Spannung erfolgt sodann über den
Transformator aufgrund der Induktion in den Spulen des Transformators,
so dass bei Anlegen einer pulsbreitenmodulierten Spannung an die
Primärseite
eines Transformators an der jeweiligen Sekundärseite eine dementsprechend
sekundärseitig erhaltene
Spannung abgegriffen und ausgewertet werden kann.
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Hierbei
kann ein Transformator beliebige Wicklungsverhältnisse der Primär- und Sekundärspulen
aufweisen, beispielsweise 1 zu 1 oder beliebige andere Wicklungsverhältnisse,
im folgenden Text mit 1 zu n bezeichnet.
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Ebenso
ist es hier möglich,
nicht nur einen Transformator mit einer sekundärseitigen Spule zu verwenden,
sondern es besteht selbstverständlich auch
die Möglichkeit,
mehrere sekundärseitige
Spulen zu verwenden und damit letzten Endes bei beispielsweise verschiedenen
oder mehreren gleichen Übersetzungsverhältnissen
zwischen der Primärspule
und den jeweiligen Sekundärspulen
auch auf unterschiedlichen Spannungsniveaus sekundärseitig zu
arbeiten oder mehrere Schaltelemente, die jeweils an einer „eigenen" Sekundärwicklung
angeschlossen sind, mit einem gemeinsamen primärseitigen pulsweitenmodulierten
Signal zeitgleich anzusteuern.
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Auch
sekundärseitig
ergibt sich letztendlich ein pulsbreitenmoduliertes Spannungssignal,
mit dem gleichen Tastverhältnis
wie das eingangs verwendete primärseitige
pulsbreitenmodulierte Spannungssignal.
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Die
jeweils übertragenen
Signalzustände können sekundärseitig
weiter verarbeitet werden, beispielsweise dadurch, dass eine Schaltung
vorgesehen wird, mit der die unterschiedlichen Tastverhältnisse
bzw. die unterschiedlichen Spannungsniveaus der vom Tastverhältnis abhängigen Signalspannungen
diskriminierbar sind, um somit die entsprechenden Signalzustände zu unterscheiden
und eine Weiterverarbeitung der somit erhaltenen Information zu erreichen.
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Grundsätzlich ist
im Rahmen des grundlegenden Gedankens der vorliegenden Erfindung
jede Maßnahme
geeignet, die entsprechend übertragenen
Signalzustände
auszuwerten, mit der die unterschiedlichen vom Tastverhältnis abhängigen Signalspannungen
feststellbar sind.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung des
Verfahrens kann es neben der Übertragung
von Signalzuständen
vorgesehen sein, dass die sekundärseitig
erhaltene Spannung ebenfalls gewandelt wird in eine von dem Tastverhältnis unabhängige bzw.
nur geringfügig
abhängige
Versorgungsspannung, beispielsweise um eine Spannungsversorgung für wenigstens
ein elektronisches Bauelement bereitzustellen, welches sekundärseitig
vorgesehen ist.
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Hierdurch
kann bevorzugt erreicht werden, dass für eventuelle elektronische
Komponenten, die sekundärseitig
des Transformators in einer elektronischen Schaltung angeordnet
sind, keine separate Spannungsversorgung vorgesehen werden muss. Die
Spannung, die primärseitig
am Transformator anliegt und sekundärseitig am Transformator erhalten wird,
kann somit einerseits dazu dienen, einen Signalzustand zu übertragen
als auch andererseits die nötige
Spannung für
den Betrieb elektronischer Bauelemente sekundärseitig zur Verfügung zu
stellen.
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Wesentlich
hierbei ist, dass aus der sekundärseitig
erhaltenen Spannung eine Versorgungsspannung wandelbar bzw. auf
jegliche Art erzielbar ist, die ein genügend hohes Spannungsniveau
mit einer ausreichenden Konstanz darstellt, um elektronische Bauelemente
zu versorgen. Hierbei kommt es nicht notwendigerweise auf eine absolute
Konstanz der Versorgungsspannung an, sondern es sind letztendlich
auch Schwankungen zulässig,
die sich in der Praxis oftmals bei den verschiedenen Tastverhältnissen
nicht vermeiden lassen. Insofern ist es letztendlich nur wesentlich
für eine
erzeugte Versorgungsspannung, dass diese, wenn auch nicht unabhängig, so
doch nur in einem geringfügigen
Maß abhängig ist von
dem Tastverhältnis
der primärseitig
angelegten Spannung.
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Schon
durch den grundlegenden Verfahrensschritt der Erfindung wird sichergestellt,
dass es durch die jeweilige, vom Tastverhältnis abhängige Signalspannung, die sekundärseitig
erzeugbar ist, möglich
ist, die verschiedenen Signalzustände voneinander zu diskriminieren,
da beispielsweise eine Signalspannung, die bei dem ersten Tastverhältnis gewonnen
wird, ein anderes Spannungsniveau erreicht, als eine Signalspannung
bei einem zweiten Tastverhältnis.
Beispielsweise kann mit Bezug auf oben genanntes Beispiel eine erhaltene,
aus der sekundärseitig
erhaltenen Spannung zu einem Tastverhältnis von ein Drittel ein geringeres
Spannungsniveau aufweisen als eine Signalspannung zu einem Tastverhältnis von
zwei Drittel. So kann durch Auswertung dieser jeweiligen Spannungsniveaus
der vom Tastverhältnis
abhängigen
gewandelten Signalspannung eine Diskriminierung nach den Signalzuständen erfolgen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung der
Erfindung kann es vorgesehen sein, dass mittels der Schaltung, die
sekundärseitig
vorgesehen ist, wenigstens eine Vergleichsspannung erzeugt wird und
somit eine erhaltene Signalspannung mit einer solchen Vergleichsspannung
verglichen wird. Hierbei kann dann das Ergebnis eines Vergleiches
einen Signalzustand repräsentieren.
Beispielsweise wird ein erster Signalzustand als gegeben ausgewertet,
wenn die Signalspannung, die vom Tastverhältnis abhängig ist, geringer ist als
die erzeugte Vergleichsspannung, wobei ein zweiter Signalzustand
als gegeben festgestellt wird, wenn als Ergebnis des Vergleichs die
Signalspannung größer ist
als die Vergleichsspannung.
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Hierbei
wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn eine Vergleichsspannung
z.B. aus der sekundärseitig
erzeugten Versorgungsspannung oder auf andere Art gewonnen oder
aber extern oder intern zur Verfügung
gestellt wird, insbesondere so dass die Vergleichsspannung vom Tastverhältnis der primärseitig
eingespeisten pulsbreitenmodulierten Spannung ebenso unabhängig bzw.
nur geringfügig abhängig ist
von dem Tastverhältnis,
wie dies gemäß vorheriger
Beschreibung auch für
die Versorgungsspannung gilt.
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Um
anhand der durch einen Vergleich ermittelten Signalzustände eine
weitere Auswertung oder jegliche Aktionen, insbesondere elektronischer
Art zu ermöglichen,
kann es in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen
sein, dass in Abhängigkeit
des Ergebnisses eines Vergleichs wenigstens ein Schaltmittel betätigt wird.
So kann letztendlich bewirkt werden, dass durch eine primärseitig
angelegte pulsbreitenmodulierte Spannung entsprechend den jeweilig
damit übertragenen
Signalzuständen
beispielsweise ein oder mehrere Schaltmittel betätigt werden, z.B. ein Schaltmittel
je nach Tastverhältnis ein-
oder ausgeschaltet wird, so dass z.B. der Einschalt- und der Ausschaltzustand
den jeweiligen unterschiedlichen Tastverhältnissen zugeordnet ist oder aber
auch derart, dass unterschiedliche Schaltmittel den verschiedenen
Tastverhältnissen
zugeordnet sind. Hierfür
kommt es letztendlich darauf an, wie der hier einschlägige Fachmann
die Auswertung der vom Tastverhältnis
abhängigen
Signalspannungen vornimmt bzw. im Beispiel des zuvor genannten Vergleiches,
das Ergebnis eines derartigen Vergleiches elektronisch auswertet.
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Beispielsweise
kann in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ein Vergleich zwischen einer Signal- und einer Vergleichsspannung über einen
Komparator erfolgen, an dessen Eingänge die zu vergleichenden Spannungen
anliegen, was bedeutet, dass beispielsweise bei einem ersten Spannungseingang
die von dem Tastverhältnis
abhängige
Signalspannung angelegt wird und an einem zweiten Eingang des Komparators
die von einem Tastverhältnis
unabhängige oder
geringfügig
abhängige
Vergleichsspannung. Hierbei kann der Komparator als elektronisches
Bauelement beispielsweise durch die ebenso vom Tastverhältnis unabhängige bzw.
nur geringfügig
abhängige
Versorgungsspannung gespeist werden.
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Am
Ausgang eines derartigen, hier vorgesehenen Komparators wird sodann
eine Ausgangsspannung erhalten, die den Signalzustand repräsentiert,
da die Ausgangsspannung abhängig
ist von dem Ergebnis des Vergleichs zwischen den jeweils anliegenden
Spannungen. Im vorgenannten Beispiel, wo der Signalzustand verwendet
wird, um ein Schaltmittel zu betätigen,
repräsentiert
die Ausgangsspannung am Ausgang des Komparators somit insbesondere
einen Schaltzustand, beispielsweise „Ein" oder „Aus" bei einem entsprechend in der Schaltung
vorgesehenen Schaltmittel, beispielsweise einem Transistor, z.B.
einem Feldeffekttransistor, insbesondere einem MOSFET.
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Allgemein
können
hier Schaltmittel zum Einsatz kommen, die in Abhängigkeit von der Höhe der Ausgangsspannung
des Komparators schalten. Beispielsweise kann hierfür das Gate
eines Feldeffekttransistors mittels der Ausgangsspannung des Komparators
angesteuert werden. Ebenso können
andere elektronische Komponenten zum Einsatz kommen, die abhängig von
der Ausgangsspannung arbeiten.
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Die
wesentlichen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte
können
in einfacher Weise umgesetzt werden mit einer Schaltung, umfassend
einen Transformator zur galvanischen Signaltrennung, wobei primärseitig
an den Transformator eine pulsbreitenmodulierte Spannung anlegbar
ist, wie es bereits zuvor beschrieben wurde. Die Sekundärseite des
Transformators kann sodann mit einer Schaltung verbunden sein, die
wenigstens folgendes aufweist:
- a. eine erste
Reihenschaltung aus zwei gleichgerichteten Dioden, wobei das Mittelpotential
dieser ersten Reihenschaltung von Dioden mit einem Ende der sekundärseitigen
Spule des Transformators verbunden ist;
- b. eine zweite Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren, wobei
des Mittelpotential dieser zweiten Reihenschaltung mit dem anderen
Ende der sekundärseitigen
Spule des Transformators verbunden ist;
- c. wobei die erste und zweite Reihenschaltung parallel zueinander
geschaltet sind (an den äußeren Enden
der Reihenschaltungen gemäß Figuren) und
- d. wobei parallel zur ersten und zweiten Reihenschaltung eine
Last geschaltet ist.
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Durch
diese grundlegenden Merkmale einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Durchführung des vorbeschriebenen
Verfahrens wird bewirkt, dass durch Gleichrichtung mittels der vorgenannten
Dioden mit jedem durch den Transformator übertragenen Spannungspuls die
vorgenannten zwei Kondensatoren geladen werden.
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Für den Stromfluss
in beiden Transformatorwicklungen verhindern bevorzugt in Serie
geschaltete Kondensatoren einen nennenswerten Gleichstromanteil.
Dabei kann der Stromfluss durch die Signal-Eingänge der Komparatoren in der
Regel vernachlässigt
werden. Im eingeschwungenen Zustand, d.h. praktisch nach einer gewissen
Zahl von Perioden mit konstantem Tastverhältnis, werden die Transformatorwicklungen
nahezu gleichstromfrei sein. Weil damit auch die Spannung über jeder
Transformatorwicklung im zeitlichen Mittel über eine Periode des pulsweitenmodulierten
Signals (PWM-Signals) nahezu Null sein muss, hat das Rechtecksignal
an der Sekundärwicklung
des Transformators positive Anteile mit der Spannung U_high und
der Dauer T_high sowie negative Anteile mit der Spannung U_low und
der Dauer T_low.
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Es
gilt die Konvention, dass U_high > 0
und U_low < 0 ist.
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Dabei ändern sich
die Beträge
des negativen und positiven Anteils gegenläufig mit dem Tastverhältnis des
PWM-Signals und die Summe der beiden ist aber vom Tastverhältnis nur
geringfügig
abhängig, vorausgesetzt,
dass das Tastverhältnis
des PWM-Signals deutlich von 0% oder 100% verschieden ist.
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Dabei
können
folgende Näherungen
angenommen werden: T_high·U_high + T_low·U_Low
= 0,und für
die Absolutbeträge
gilt näherungsweise: |U_high| + |U_low| = n·U_in,wobei n das Wicklungsverhältnis des
Transformators (sekundär:
primär)
ist, und U_in der Spannungshub des primärseitigen PWM-Signals, z.B.
5V von digitaler Logik ist.
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Hierdurch
folgt unmittelbar, dass sich bei verschiedenen Tastverhältnissen
der primärseitig
angelegten pulsbreitenmodulierten Spannung sich sekundärseitig über den
jeweiligen Kondensatoren eine vom Tastverhältnis abhängige Spannung bzw. zumindest
ein abhängiger
Spannungsverlauf aufbaut, deren Spannungsniveau sodann einen Signalzustand
repräsentieren
kann.
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Hierbei
kann es in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass
in Reihenschaltung mit der Primärspule
ein Element zur Unterdrückung von
Gleichstromanteilen durch die Primärspule angeordnet ist, insbesondere
wobei dieses Element vorzugsweise ein Kondensator ist. Ebenso ist
es möglich,
sowohl primärseitig
als auch sekundärseitig
in der bereits zuvor beschriebenen als auch noch später beschriebenen
Schaltung weitere Bauelemente aktiver oder passiver Art vorgesehen
sind, die für
ein Glätten,
Puffern, Sieben oder sonstige Einflussnahme auf die erhaltene Spannung
bewirken, um möglichst
saubere Spannungen und damit gut diskriminierbare Signalzustände erhalten.
Derartige Komponenten tragen dementsprechend nicht unmittelbar zur
Erfindung bei und werden im folgenden nicht mehr erläutert.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die zuvor
genannte Last zumindest zu einem Teil durch wenigstens eine ohmsche
Last, insbesondere einer Reihenschaltung wenigstens zweiter ohmscher
Widerstände
gebildet ist. So kann in diesem Fall durch die festgelegten Werte
dieser ohmschen Widerstände
auch das zeitliche Entladeverhalten der vorbeschriebenen Kondensatoren
beeinflusst werden. Ebenso ist es möglich, dass die Last zumindest
zum Teil durch ein elektronisches Bauelement und hier beispielsweise
durch den zuvor beschriebenen Komparator gebildet ist.
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Um
wie zuvor beschrieben einen Vergleich mittels eines Komparators
durchführen
zu können, kann
es in einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung z.B. vorgesehen
sein, dass ein erstes Eingangssignal eines Komparators gebildet
wird von dem Mittenpotential der zweiten Reihenschaltung der Kondensatoren.
An diesem Mittenpotential ist die zuvor beschriebene tastverhältnisabhängige Spannung der
Kondensatoren abgreifbar. Weiterhin kann als ein zweites Eingangssignal
eines Komparators die Spannung an der Reihenschaltung der lastbildenden Widerstände abgegriffen
werden und hier beispielsweise bei einer Reihenschaltung aus zwei
Widerständen
zwischen diesen beiden Widerständen
oder bei einer Reihenschaltung aus mehreren Widerständen auch
an einer beliebigen Stelle zwischen den vorgesehenen Widerständen, je
nachdem welches Spannungsniveau diese Vergleichsspannung haben soll,
da die Reihenschaltung letztendlich als Spannungsteilerkette arbeitet.
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Dementsprechend
ist es ebenso möglich, statt
einer Reihenschaltung aus zwei oder mehreren Widerständen ebenso
einen oder mehrere Widerstände
zu verwenden, die einen Mittenabgriff aufweisen, insbesondere wobei
es sich um Potentiometer handeln kann, mit denen sodann die Größe der Vergleichsspannung
einstellbar ist.
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Durch
die Realisierung einer Reihenschaltung aus mehreren ohmschen Widerständen oder auch
aus mehreren Potentiometern kann letztendlich auch eine Schaltung
aufgebaut werden, bei der mehrere Komparatoren zum Einsatz kommen,
so dass hier die tastverhältnisabhängigen Spannungen
auch mit mehreren unterschiedlichen Vergleichsspannungen verglichen
werden können.
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Wie
zuvor schon beim Verfahren beschrieben, kann es vorgesehen sein,
dass parallel zur Reihenschaltung der Dioden wenigstens ein Kondensator
geschaltet ist, dessen Kapazität
größer ist
als die Kapazität
jedes der Kondensatoren der zweiten Reihenschaltung, d.h. derjenigen
Kondensatoren, über denen
die vom Tastverhältnis
abhängige
Spannung abgreifbar ist.
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Beispielsweise
kann dieser zur Reihenschaltung der Dioden parallel geschaltete
Kondensator in seiner Kapazität
mindestens fünffach,
bevorzugt 40- bis 60-fach größer sein
als die Kapazität
der Kondensatoren der zweiten Reihenschaltung. Dies hat den Vorteil,
dass dieser Kondensator sich durch die sekundärseitig erzeugten Pulse auflädt und aufgrund seiner
hohen Ladungskapazität
im Wesentlichen eine vom Tastverhältnis unabhängige bzw. nur geringfügig abhängige Spannung
zur Verfügung
stellt, die an dem Kondensator abgreifbar ist, um beispielsweise
die Versorgungsspannung für
elektronische Bauelemente, wie z.B. den Komparator, zur Verfügung zu
stellen.
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So
kann dementsprechend die Versorgungsspannung des Komparators und/oder
die Vergleichsspannung für
das zweite Eingangssignal eines Komparators gebildet werden aus
der Spannung, die über dem
vorgenannten Kondensator abgreifbar ist, gegebenenfalls durch Abgriff
an einer Spannungsteilerkette oder einem Potentiometer.
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Durch
den Komparator als elektronischem Bauelement wird nunmehr bewirkt,
dass die von dem Tastverhältnis
abhängige
Spannung unmittelbar verglichen werden kann mit der von dem Tastverhältnis unabhängigen bzw.
nur geringfügig
abhängigen Spannung,
so dass hier festgestellt werden kann, ob die Signalspannung größer oder
kleiner ist als die Vergleichsspannung. Entsprechend diesem Vergleich
und dem Ergebnis des Vergleichs liefert ein Komparatorbaustein ein
Ausgangssignal bzw. Ausgangsspannung, deren Höhe sodann einen Signalzustand
repräsentiert
und somit variiert mit einer Änderung
des jeweils anliegenden Tastverhältnisses. Ein
derartiges Ausgangssignal bzw. Ausgangsspannung kann somit an den
Schalteingang eines Schaltmittels angelegt werden, um ein Schalten
dieses Schaltmittels zu bewirken. Hier können ebenso mehrere Schaltmittel
vorgesehen sein, beispielsweise kann es sich um MOSFETs handeln,
an deren Gate das Ausgangssignal des Komparators angelegt wird. Sodann
kann bewirkt werden, dass ein MOSFET stromleitend oder stromsperrend
schaltbar ist.
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In
einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Schaltung kann es weiterhin
vorgesehen sein, dass ein Bauelement vorgesehen ist, um ein zum
Ausgangssignal eines ersten Komparators invertiertes Ausgangssignal
bereitzustellen, insbesondere wobei dieses Bauteil ein weiterer
Komparator sein kann, dessen Eingänge invers zum ersten Komparator
angesteuert sind. Ebenso ist es selbstverständlich möglich, explizit einen Inverterbaustein
an das Ausgangssignal eines ersten Komparators anzuschließen.
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Bei
der zuvor beschriebenen Schaltung bzw. dem Verfahren ist es ersichtlich,
dass aufgrund der Schaltungsauslegung, insbesondere der Induktivitäts- und
Kapazitätswerte,
der Frequenz des PWM-Signals und der verwendeten Tastverhältnisse, eine
Umschaltung zwischen verschiedenen Signalzuständen und somit auch eines vorgesehenen Schaltmittels
erst dann vollzogen wird, wenn bei einer Umschaltung von einem Tastverhältnis auf
ein anderes Tastverhältnis
das dann neue Tastverhältnis zunächst für eine bestimmte
Anzahl von Zyklen anliegt, da erst dann die Signalspannung den Schwellwert
für die
Betätigung
des Schaltmittels überschreitet.
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Im
vorbeschriebenen Teil ist es herausgestellt worden, dass es für einen
Vergleich im Wesentlichen darauf ankommt, dass die erhaltene Signalspannung
stark von dem Tastverhältnis
der anliegenden primärseitigen
Spannung abhängig
ist und die jeweils erzeugte Vergleichsspannung unabhängig oder nur
geringfügig
abhängig
von dem Tastverhältnis
ist. Letztendlich muss in jedem Fall sicher gestellt sein, dass
sich das Verhältnis
der Signalspannung bei einem langen Tastverhältnis zur Signalspannung bei einem
kurzen Tastverhältnis
in der Schaltung wesentlich stärker ändert als
das Verhältnis
der Vergleichspannung bei langem Tastverhältnis zur Vergleichsspannung
bei kurzem Tastverhältnis.
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Somit
kann in jedem Fall sichergestellt werden, dass die verschiedenen
Tastverhältnisse
und damit Signalzustände
in der Schaltung diskriminiert werden können.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es
zeigen:
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1 die
zeitliche Darstellung einer primärseitigen
Spannung einerseits mit einem Tastverhältnis von einem Drittel und
andererseits von einem Tastverhältnis
von zwei Dritteln
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2 eine
Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Verfahrens und Ansteuerung von zwei MOSFETs
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3 eine
Schaltung mit zueinander invers arbeitenden Komparatoren
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4 eine
Schaltung mit zwei Komparatoren, die mit unterschiedlichen Vergleichsspannungen arbeiten
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5 eine
Auflistung möglicher
Bauteile zur Durchführung
des Verfahrens mit den Schaltungen.
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Die 1 zeigt
den typischen Spannungsverlauf einer Primärseite eines galvanisch trennenden
Transformators, wobei hier ersichtlich ist, dass bei den in der
Darstellung ersten beiden Pulsen ein kleineres Tastverhältnis gegeben
ist als bei den in der Darstellung hinteren beiden dargestellten
Spannungspulsen. Hierbei ist ersichtlich, dass gemäß der Erfindung
vorgesehen sein kann, dass das Spannungsniveau eines jeden Pulses
immer gleich ist und lediglich die zeitliche Breite eines Pulses
variiert.
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In
der hier vorliegenden Darstellung ist die Frequenz der wiederkehrenden
Spannungspulse immer konstant, d.h. es liegt eine konstante Periodendauer,
hier mit einer zeitlichen Einheit, vor, wobei bei den ersten beiden
in der Darstellung gezeigten Spannungspulsen diese Spannungspulse
ein Drittel der Gesamtperiodendauer einnehmen und die hinteren beiden
Spannungspulse zwei Drittel der Gesamtperiodendauer einnehmen. Es
ist hier dementsprechend erkennbar, dass das Tastverhältnis variiert
und eine Änderung
des Tastverhältnisses
am Ende der zweiten Periode stattfindet. Dementsprechend wird in dem
Bereich der ersten beiden zeitlichen Perioden ein erster Signalzustand
durch das pulsbreitenmodulierte Spannungssignal repräsentiert
und in den hinteren beiden Perioden ein zweiter Signalzustand.
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Mit
Hilfe der in den weiteren Figuren dargestellten Schaltungen ist
es möglich,
diese beiden Signalzustände
auf der Sekundärseite
des Transformators voneinander zu diskriminieren und in Abhängigkeit
der Tastverhältnisse
Schaltmittel anzusteuern.
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In
einer ersten Ausbildung der Erfindung wird dies deutlich in der 2.
Beginnend von links nach rechts ist es ersichtlich, dass über einen
Kondensator C1 zur Gleichspannungsunterdrückung eine Primärspule L1
eines Transformators mit einem Spannungssignal, wie es gemäß der 1 dargestellt
ist, angesteuert wird. Es ergibt sich dementsprechend, gegebenenfalls
mit einem dem Wicklungsverhältnis der
Spulen L1 und L2 entsprechendem Transformationsverhältnis, eine
Sekundärspannung
in der Spule L2. Erkennbar ist hier, dass das Mittenpotential einer Reihenschaltung
aus zwei gleichgerichteten Dioden D1 und D2 am Punkt P4 mit dem
einen Ende der Spule L2 verbunden ist und das Mittenpotential einer Reihenschaltung
aus den beiden Kondensatoren C2 und C3 mit dem anderen Ende der
Sekundärspule
L2 über
den Punkt P2 verbunden ist.
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Die
beiden Reihenschaltungen, d.h. die erste der Dioden D1 und D2 und
die zweite der Kondensatoren C2 und C3 liegen zueinander parallel.
Weiterhin parallel geschaltet ist eine Last, die hier im vorliegenden
Beispiel der 2 zumindest durch die ohmschen
Widerstände
R1 und R2 sowie auch durch das IC1 gebildet ist, wobei IC1 einen
Komparator darstellt.
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Diese
Last aus den ohmschen Widerständen sowie
dem Komparator ermöglicht
eine Entladung der jeweiligen Kondensatoren C2 und C3 mit einem bestimmten
Zeitverhalten, welches maßgeblich
für die
Größe der ohmschen
Widerstände
als auch durch die Kapazität
der Kondensatoren C2 und C3 gegeben ist. Hierbei sind die Kondensatoren
C2 und C3 derart klein gewählt,
dass sich ein möglichst
kurzes Entladungszeitverhalten einstellt, so dass die Spannung am
Punkt P2 gegenüber
entweder dem Punkt P3 oder dem Punkt P1 stark abhängig ist
von dem gewählten
Tastverhältnis
der primären
Eingangsspannung.
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Durch
den Kondensator C4, der parallel zur Reihenschaltung aus den Dioden
D1 und D2 als auch zu den Kondensatoren C2 und C3 liegt, wird bei
einer genügend
großen
Kapazität,
hier etwa 40 bis 60 mal größer als
jeweils Kondensator C2 oder C3, bewirkt dass über C4 eine Spannung abgreifbar
ist an den Punkten P1 und P3, die im Wesentlichen von dem Tastverhältnis der
primären
Eingangsspannung unabhängig
oder nur geringfügig
abhängig
ist. Eine geringfügige
Abhängigkeit
wird sich voraussichtlich bei dem hier vorliegenden Aufbau nicht
vollständig
vermeiden lassen.
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Die
hier über
den Punkten P1 und P3, d.h. über
dem Kondensator C4 abgreifbare Spannung dient weiterhin als Versorgungsspannung
des Komparators IC1, so dass es gemäß der Erfindung vorgesehen
sein kann, dass alle elektronischen Bauteile, wie hier beispielsweise
IC1, eine Versorgungsspannung auch letztendlich aus der primären Eingangsspannung
gewinnen.
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Erkennbar
ist, dass am unteren Eingang des Komparators IC1 das Mittenpotential
zwischen den ohmschen Widerständen
R1 und R2 anliegt, so dass hier bei gleichen Widerständen R1
und R2 die halbe Spannung angelegt wird, die über dem Kondensator C4 abgreifbar
ist. Diese Spannung kann eine Vergleichsspannung bilden, mit der
die Signalspannung verglichen werden kann, die am Punkt P2 abgreifbar ist.
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Bei
dem hier gewählten
Beispiel können
wie vorher erwähnt
die Widerstände
R1 und R2 gleichen ohmschen Widerstand aufweisen, so dass sich letztendlich
hier eine Halbierung der Spannung über C4 ergibt, es können jedoch
auch andere Spannungsteilerverhältnisse
zwischen R1 und R2 gewählt
sein. Wie auch im allgemeinen Beschreibungsteil erwähnt, kann
hier auch ein Potentiometer mit Mittenabgriff oder ein einzelner
fester Widerstand mit Mittenabgriff verwendet werden.
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In
Abhängigkeit
des Vergleiches sowie auch der Versorgungsspannung des Komparators
IC1 ergibt sich ein digitales Ausgangssignal SIG2, welches das Ergebnis
des Vergleiches repräsentiert.
Dementsprechend kann hier eine hohe Spannung (High-Pegel) anliegen,
wenn beispielsweise die Signalspannung am Punkt P2 größer ist
als die Vergleichsspannung am Punkt P5. Die Spannung SIG2 kann kleiner ausfallen
(Low-Pegel), wenn die Signalspannung am Punkt P2 geringer ist als
die Vergleichsspannung am Punkt P5.
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Mit
der Ausgangsspannung SIG2 des Komparators können sodann die Gates der MOSFETs
T1 und T2 angesteuert werden, so dass sich eine leitende Verbindung
zwischen dem Punkt A3 sowie auch den beiden Punkten A1 und A2 der
Schaltung ergibt. Außerdem
wird die Verbindung von A1 nach A2 durchgeschaltet.
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Dementsprechend
stellen in dieser Schaltung die Transistoren T1 und T2 Schaltmittel
dar, mit denen ein Stromfluss zwischen A3 und A1/A2 bzw. zwischen
A1 und A2 bewirkt oder auch gestoppt werden kann.
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Es
ist somit bei Betrachtung der Schaltung gemäß der 2 ersichtlich,
dass in Abhängigkeit vom
Tastverhältnis
der primären
Eingangsspannung SIG1 die Transistoren T1 und T2 durchgeschaltet oder
gesperrt werden können.
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Es
soll hier nochmals herausgestellt werden, dass wesentlicher Teil
der hier dargestellten erfindungsgemäßen Schaltung letzten Endes
zunächst nur
die Parallelschaltung aus der ersten und zweiten Reihenschaltung,
d.h. der Dioden D1 und D2 einerseits und der Kondensatoren C2 und
C3 andererseits mit einer weiteren Last darstellt, da hierdurch
bereits eine vom Tastverhältnis
abhängige
Signalspannung über
den jeweiligen Kondensatoren C2 und C3 erzeugbar ist, und sich hier
für den
Fachmann der Elektrotechnik die Möglichkeit erschließt, diese
beiden abhängigen
Signalspannungen voneinander zu diskriminieren. Die Art der Diskriminierung
anhand des Beispiels mit einem Komparator stellt ein mögliches Ausführungsbeispiel
dar, es ist jedoch denkbar, auch auf andere Weisen die Spannungsniveaus
voneinander zu unterscheiden.
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Die 3 zeigt
gegenüber
der 2 im Wesentlichen denselben Aufbau, wobei hier
jedoch noch weitere Elemente, beispielsweise primärseitig
ein Leistungstreiber als auch sekundärseitig weitere Kondensatoren
zum Glätten
und Sieben der jeweiligen Spannungen vorgesehen sind. Wesentlicher
Unterschied ist es hier im vorliegenden Fall jedoch, dass ein zweiter
Komparator IC2 sekundärseitig
vorgesehen ist, der mit seinen Eingängen invers zu den Eingängen des
Komparators IC1 angesteuert wird, so dass die Ausgangssignale SIG2
und SIG3 zueinander invers ausfallen. Auch hier werden wiederum
die Gates der einzelnen Transistoren T1, T2 und T3 durch das Ausgangssignal
SIG2 des ersten Komparators angesteuert.
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Bei
der Darstellung der 4 entspricht die Schaltung im
Wesentlichen derjenigen gemäß der 2.
Im Unterschied zur Schaltung der 2 ist hier
eine Spannungsteilerkette aus drei ohmschen Widerständen R1,
R2 und R3 vorgesehen und es existieren zwei Komparatoren IC1 und
IC2. Ersichtlich wird hier die Vergleichsspannung des Komparators
IC1 gewonnen am Spannungsabgriff P5 zwischen den Widerständen R1
und R3 und die Vergleichsspannung des Komparators IC2 am Spannungsabgriff
P6 zwischen R2 und R3.
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Hierdurch
wird bewirkt, dass beide Komparatoren mit unterschiedlichem Vergleichsspannungsniveau
arbeiten. So kann beispielsweise hierdurch die Möglichkeit gegeben werden, auch
mehr als nur zwei verschiedene Tastverhältnisse, wie bei den 2 und 3 voneinander
zu unterscheiden. Lediglich als Beispiel soll genannt werden, dass
hier Tastverhältnisse
von ein Viertel, zwei Viertel und drei Viertel der Gesamtperiodendauer
für den
eingeschalteten Puls voneinander unterschieden werden können. Selbstverständlich sind
hier auch andere Tastverhältnisse
möglich.
So können
je nach Größe der Signalspannung
am Punkt P2 zwischen den Kondensatoren C2 und C3 in Abhängigkeit
von den beiden Vergleichsspannungen entweder nur der Transistor
T2 oder der Transistor T1 bzw. auch beide Transistoren durchgesteuert
werden, um einen Stromfluss von A3 zu A1 bzw. A2 zu ermöglichen.
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5 zeigt
eine Auflistung von möglichen Bauteilen,
mit denen die Schaltungen realisiert werden können.
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Ersichtlich
ist hier aus sämtlichen
Figuren, dass in einfacher Weise über einen Transformator mit den
Spulen L1 und L2 als galvanische Signaltrennung eine Übertragung
eines im Tastverhältnis
einer pulsbreitenmodulierten Spannung kodierten Signals möglich ist,
wobei über
eine Auswertung der Tastverhältnisse
in einer Schaltung angeordnete Schaltmittel angesteuert und somit
geschaltet werden können, wobei
der Transformator gleichzeitig eine Betriebsspannung für die Betätigung des
Schaltmittels überträgt. Dies
erfolgt gemäß den dargestellten
Schaltungen mit einfachsten kostengünstigen elektrischen bzw. elektronischen
Bauelementen, so dass hier kostengünstig mit Standardteilen die
entsprechenden Schaltungen aufgebaut und realisiert werden können.