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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung eines
zu einem periodischen Signals phasenverschobenen Signals.
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Eine
solche Anordnung wird beispielsweise in freischwingenden Schaltwandlern
benötigt,
wie nachfolgend anhand der 1 und 2 erläutert wird.
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1 zeigt die grundsätzliche
Topologie eines als Sperrwandler ausgebildeten Schaltwandlers, der
einen Transformator TR mit einer Primärspule Lp und einer Sekundärspule Ls
aufweist. Die Primärspule
Lp ist in einem Primärstromkreis
in Reihe zu einem Halbleiterschalter T, beispielsweise einem Leistungstransistor,
geschaltet. Die Reihenschaltung liegt zwischen Klemmen für eine Eingangsspannung
Vin. Ein parallel zu dieser Reihenschaltung geschalteter Eingangskondensator
Cin dient zur Glättung
der Eingangsspannung Vin. Die Sekundärspule Ls ist Teil eines Sekundärstromkreises
und ist parallel zu einer Gleichrichteranordnung geschaltet, die
in dem Beispiel eine Diode Dout und einen Ausgangskondensator Cout
aufweist. Über
dem Ausgangskondensator Cout liegt eine Ausgangsspannung Vout zur
Spannungsversorgung einer nicht näher dargestellten Last an.
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Der
Halbleiterschalter T wird durch eine Ansteuerschaltung 10 mittels
eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals angesteuert. Die Erzeugung
des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals erfolgt dabei abhängig von
der Ausgangsspannung Vout mit dem Ziel, die Ausgangsspannung möglichst
unabhängig von
einer angeschlossenen Last auf einen konstanten vorgegebenen Wert
zu regeln.
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Eine
Nebenbedingung bei der Ansteuerung des Halbleiterschalters T in
einem freischwingendem Schaltnetzteil besteht darin, dass der Schalter
T nur zu solchen Zeitpunkten eingeschaltet werden sollte, zu denen
die Spannung Vt über
dem Schalter ihren Minimalwert erreicht. Diese Spannung Vt über dem Schalter
T ist abhängig
von dem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal S10 in 2 dargestellt. Während einer Einschaltperiode
Ton des pulsweitenmodulierten Signals ist diese Spannung annähernd Null. Wird
der Schalter T ausgeschaltet bzw. gesperrt, so steigt die Spannung
zu Beginn einer Ausschaltperiode Toff auf einen annähernd konstanten
Wert, bis die Primärspule
Lp entmagnetisiert ist. Die Entmagnetisierungsdauer ist in 2 mit Te bezeichnet. Im
Anschluss an die Entmagnetisierung ergeben sich sogenannte freie
Trafoschwingungen. Ein Einschalten des Schalters T soll aus Verlustleistungsgründen vorzugsweise
dann erfolgen, wenn ein Minimum dieser freien Trafoschwingungen
vorliegt. Das Einschalten kann dabei bereits im ersten Minimum nach
Entmagnetisierung der Primärspule
Lp oder während
eines späteren
Minimums erfolgen.
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Zur
Detektion solcher Minima der Spannung über dem Halbleiterschalter
T ist es bekannt, eine Hilfsspule Lh induktiv mit der Primärspule Lp
des Transformators TR zu koppeln. Der Wicklungssinn dieser Hilfsspule
Lh ist in Bezug auf den Wicklungssinn der Primärspule Lp dabei so gewählt, dass
der zeitliche Verlauf einer Spannung Vh über der Hilfsspule Lh der Spannung über dem
Schalter T entspricht. Die Zeitpunkte der Minima der periodischen freien
Trafoschwingung liegen jeweils eine viertel Periodendauer (T/4)
nach solchen Nulldurchgängen, bei
denen das Signal die Nulllinie von positiven zu negativen Werten
hin schneidet. Eine bekannte Auswerteschaltung 20 zur Auswertung
der Hilfsspannung Vh umfasst einen Widerstand 21 und eine
Diode 22 zur Gleichrichtung des periodischen Signals und
ein Tiefpassfilter, das beispielsweise eine Parallelschaltung mit
einem Kondensator 23 und zwei Widerstände 21, 24 umfasst.
Dieses Tiefpassfilter ist so ausgebil det, dass es die fallende Flanke
des gleichgerichteten Signals Vp am Ende der Entmagnetisierung um
eine Zeitdauer Δt
verzögert,
die einem Viertel der Periodendauer des freischwingenden Trafosignals
entspricht, so dass ein am Ausgang des Tiefpassfilters anliegendes
Signal V20 die Nulllinie zu einem Zeitpunkt schneidet, der einem
Minimalzeitpunkt der freien Trafoschwingung entspricht.
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Nachteilig
bei dieser Auswerteschaltung 20 ist, dass das Tiefpassfilter üblicherweise
nicht als Teil einer integrierten Schaltung realisiert werden kann, was
zusätzliche
Kosten bedeutet. Darüber
hinaus ist die Filtercharakteristik des Tiefpassfilters fest vorgegeben.
Die Periodendauer T der freien Trafoschwingung ist jedoch von den
Parametern des Transformators TR und von unweigerlich vorhandenen
parasitären
Kapazitäten
abhängig,
die Schwankungen unterliegen können.
Bei einer nicht exakten Abstimmung der Tiefpasscharakteristik auf
diese Parameter liegen die Nullspannungszeitpunkte des Ausgangssignals V20
der Auswerteschaltung 20 nicht exakt in den Zeitpunkten,
zu denen die freie Trafoschwingung Minima annimmt.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Erzeugung
eines zu einem periodischen Signal phasenverschobenen Signals, insbesondere
zur Verwendung in einem freischwingendem Schaltwandler, zur Verfügung zu
stellen.
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Dieses
Ziel wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Anordnung zur Erzeugung eines zu einem periodischen Signal phasenverschobenen
Signals umfasst einen ersten Vergleicher, dem das periodische Signal
und ein Referenzsignal zugeführt
sind und der ein Vergleichssignal bereitstellt, und einen ersten
Rampensignalgenerator, der ein erstes Rampensignal mit einer von
dem Vergleichssignal abhängigen
Periode er zeugt. Dieses erste Rampensignal ist einem Abtast- und
Halteglied zugeführt,
das dazu ausgebildet ist, das Rampensignal jeweils dann abzutasten,
um einen Abtastwert bereitzustellen, wenn sich das Rampensignal
im Bereich eines maximalen Amplitudenwerts befindet. Dem Abtast-
und Halteglied ist ein Spannungsteiler zur Bereitstellung eines zu
dem Abtastwert proportionalen Spannungsteilersignals nachgeschaltet.
Dieses Spannungsteilersignal ist zusammen mit einem zweiten Rampensignal
einem zweiten Vergleicher zugeführt,
der das phasenverschobene bereitstellt.
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Bei
dieser Anordnung bilden der erste Vergleicher und der erste Rampensignalgenerator
eine Messanordnung zur Ermittlung der Periodendauer des periodischen
Signals. Die maximale Amplitude des Rampensignals am Ende einer
Periodendauer dieses periodischen Signals ist dabei wenigstens annähernd proportional
zu dieser Periodendauer. Die Rampensteilheit des zweiten Rampensignals
entspricht vorzugsweise der Rampensteilheit des ersten Rampensignals.
Darüber
hinaus wird das zweite Rampensignal vorzugsweise zum selben Zeitpunkt wie
das erste Rampensignal gestartet. Die Zeitpunkte, zu denen das zweite
Rampensignal dann das durch das Abtast- und Halteglied bereitgestellte Spannungsteilersignal
erreicht, stehen über
das Teilerverhältnis
des Spannungsteilers in einem festen Verhältnis zur Periodendauer des
periodischen Signals bzw. des ersten Rampensignals. Die Phasenverschiebung,
um welche das von dem zweiten Vergleicher bereitgestellte phasenverschobene
Signal gegenüber
dem periodischen Signal bzw. dem ersten Rampensignal verschoben
ist, ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung über den
Spannungsteiler einstellbar. Zwischen den ersten Vergleicher kann
wenigstens ein monostabiler Impulsgenerator geschaltet sein, der
den ersten Rampensignalgenerator ansteuert. Ein solcher monostabiler
Impulsgenerator erzeugt bei einer vorgegebenen Flanke, d. h. entweder der
fallenden Flanke oder der steigenden Flanke, des Vergleichssignals
einen Impuls einer vorgegebenen Impulsdauer.
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Es
besteht auch die Möglichkeit,
zwischen den ersten Vergleicher und den ersten Rampensignalgenerator
einen ersten und eine zweiten monostabilen Impulsgenerator in Reihe
zu schalten, wobei das Vergleichssignal dem ersten monostabilen
Impulsgenerator zugeführt
ist, ein Ausgangssignal dieses ersten monostabilen Impulsgenerators
dem zweiten monostabilen Impulsgenerator zugeführt ist und der zweite monostabile
Impulsgenerator den Rampensignalgenerator ansteuert.
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Die
Zeitpunkte, zu denen das Abtast- und Halteglied das erste Rampensignal
abtastet, sind vorzugsweise durch das Vergleichssignal oder ein Ausgangssignal
des wenigstens einen monostabilen Impulsgenerators vorgegeben.
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Das
zweite Rampensignal, welches zusammen mit dem Spannungsteilersignal
dem zweiten Vergleicher zugeführt
ist, kann identisch zu dem ersten Rampensignal sein. Auf diese Weise
ist sichergestellt, dass die Steilheit der Flanken des ersten Rampensignals
der Steilheit der Flanken des zweiten Rampensignals entsprechen.
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Darüber hinaus
besteht auch die Möglichkeit,
zusätzlich
zu dem ersten Rampensignalgenerator einen zweiten Rampensignalgenerator
vorzusehen, der dazu ausgebildet ist, das zweite Rampensignal abhängig von
dem Vergleichssignal zu erzeugen.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
einen freischwingenden Schaltwandler mit einer Anordnung zur Erzeugung
eines zu einem periodischen Signal phasenverschobenen Signals nach
dem Stand der Technik.
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2 zeigt
zeitliche Verläufe
ausgewählter Signale
der Schaltung gemäß 1.
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3 veranschaulicht
eine erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Anordnung zur
Erzeugung eines zu einem periodischen Signal phasenverschobenen
Signals.
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4 zeigt
zeitliche Verläufe
ausgewählter Signale
der Anordnung gemäß 3.
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5 zeigt
ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel für einen
Rampensignalgenerator.
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6 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Anordnung.
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7 zeigt
zeitliche Verläufe
ausgewählter Signale
der Anordnung gemäß 6.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Komponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Anordnung
zur Erzeugung eines zu einem periodischen Eingangssignal Vp phasenverschobenen
Ausgangssignals Sout. Das periodische Eingangssignal Vp kann Bezug
nehmend auf 4 beispielsweise ein sinusförmiges Signal
oder ein mittels eines Einweggleichrichters gleichgerichtetes sinusförmiges Signal
sein. Dieses Signal kann Bezug nehmend auf 1 insbesondere
einem solchen Signal entsprechen, das über einer Hilfsspule Lh anliegt,
die in einem freischwingendem Schaltwandler mit einer Primärspule Lp
gekoppelt ist, oder dieses Signal Vp kann einem Signal entsprechen, das
durch Einweggleichrichtung aus der Spannung Vh über der Hilfswicklung Lh erhalten
wird.
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Die
Anordnung weist einen ersten Vergleicher 110 auf, dem das
periodische Signal Vp an einem Eingang und ein Referenzsignal Vref
an einem anderen Eingang zugeführt
ist. Das periodische Signal Vp ist in dem Beispiel dem Minus-Eingang
des Komparators 110 zugeführt, und das Referenzsignal Vref
ist dem Plus-Eingang
dieses Komparators zugeführt.
Der Vergleicher 110 dient zur Detektion solcher Zeitpunkte,
zu denen das periodische Signal seinen Mittelwert schneidet bzw.
zu denen ein gleichgerichtetes periodisches Signal seinen Minimalwert
erreicht. Diese Zeitpunkte werden nachfolgend als "Nullspannungszeitpunkte" bezeichnet, wobei
anzumerken ist, dass der Mittelwert des periodischen Signals oder
der Minimalwert des gleichgerichteten periodischen Signals selbstverständlich auch
ungleich Null sein kann.
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In
dem dargestellten Beispiel wertet der erste Vergleicher 110 die
Zeitpunkte aus, zu denen das periodische Signal Vp mit einer fallenden
Flanke seinen Mittelwert schneidet bzw. seinen Minimalwert erreicht.
Der Referenzwert Vref entspricht hierbei dem Mittelwert bzw. dem
Minimalwert des periodischen Signals Vp. Der Referenzwert Vref kann
jedoch auch knapp oberhalb dieses Mittelwertes bzw. Minimalwertes
liegen. Ein am Ausgang des ersten Vergleichers 110 anliegendes
Vergleichssignal S110 weist zu Nullspannungszeitpunkten, die auf
einer fallenden Flanke des periodischen Signals Vp liegen, jeweils eine
negative Flanke auf. Dieses Vergleichssignal S110 dient zur Ansteuerung
eines ersten Rampensignalgenerators 130. Das Vergleichssignal
S110 ist in dem Beispiel gemäß 3 diesem
Rampensignalgenerator 130 nicht direkt, sondern über einen
monostabilen Impulsgenerator 120 zugeführt. Dieser monostabile Impulsgenerator 120 ist
dazu ausgebildet, nach einer fallenden Flanke des Vergleichssignals S110
jeweils Impulse einer vorgegebenen Zeitdauer zu erzeugen. Bezug
nehmend auf 4 werden diese Impulse jeweils
nach einem Nullspannungszeitpunkt erzeugt, der während einer fallenden Flanke des
Signals Vp erreicht wird. Die Periodendauer des am Ausgang des monostabilen
Impulsgenerators 120 anliegenden Impulssignals S20 entspricht
der Periodendauer des periodischen Signals Vp.
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Das
von dem Vergleichssignal S110 abhängige Impulssignal S20 ist
dem ersten Rampensignalgenerator 130 zugeführt, der
dazu ausgebildet ist, ein Rampensignal nach Maßgabe dieses Impulssignals S20
zu erzeugen. Bezug nehmend auf 4 weist dieses
Rampensignal Vr zeitlich aufeinanderfolgende Rampen auf, deren ansteigende
Flanken jeweils mit dem Ende eines Impulses des Impulssignals S20
beginnen und jeweils mit Beginn eines nächsten Impulses des Impulssignals
S20 enden. Während
eines Impulses des Impulssignals S20 sinkt das Rampensignal Vr jeweils
auf einen Ausgangswert, beispielsweise den Wert eines Bezugspotentials,
ab. Unter der Annahme, dass die Zeitdauern der einzelnen Impulse
des Impulssignals S20 klein sind gegenüber der Periodendauer T des
periodischen Signals Vp gilt annäherungsweise,
dass die Zeitdauern der steigenden Flanken des Rampensignals der
Periodendauer T des periodischen Signals Vp entsprechen. Davon ausgehend,
dass die zeitlich aufeinanderfolgenden Rampen des Rampensignals
Vr jeweils linear ausgehend von dem Anfangswert ansteigen, ist ein
Maximalwert, den die einzelnen Rampen während der Anstiegsdauer erreichen,
proportional zu der Periodendauer T.
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Dem
Rampensignalgenerator 130 ist ein Abtast- und Halteglied 140 nachgeschaltet,
welches angesteuert durch das Vergleichssignal S110, das Rampensignal
Vr abtastet und einen Abtastwert Vsh bereitstellt. Das dargestellte
Abtast- und Halteglied ist dazu ausgebildet, jeweils bei einer fallenden
Flanke des Vergleichssignals S110 das Rampensignal Vr abzutasten
und den Abtastwert Vsh zu erzeugen. Dieser Abtastwert Vsh entspricht
dabei einem Maximalwert Vrmax, der jeweils
erreicht wird, kurz bevor der Rampensignalgenerator 130 durch
das Impulssignal S20 zurückgesetzt
wird.
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Um
sicherzustellen, dass zu dem Zeitpunkt, zu dem das Abtast- und Halteglied 140 das
Rampensignal Vr abtastet, nicht bereits eine fallende Flanke des
Rampensignals vorliegt, könnte
in nicht näher dargestellter
Weise ein Verzögerungsglied
mit einer kurzen Verzögerungsdauer
zwischen den ersten Vergleicher 110 und den Impulsgenerator 120 bzw.
zwischen den Impulsgenerator 120 und das erste Rampensignal 130 geschaltet
werden.
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Alternativ
besteht die Möglichkeit,
das Abtast- und Halteglied nicht durch das Vergleichssignal S110
sondern durch das am Ausgang des Impulsgenerators 120 anliegende
Impulssignal S20 anzusteuern. Das Abtast- und Halteglied wäre in diesem
Fall so auszubilden, dass es das Rampensignal Vs jeweils bei einer
steigenden Flanke des Impulssignals S20 abtastet.
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Das
am Ausgang des Abtast- und Halteglieds 140 anliegende Abtastsignal
Vsh entspricht in bereits erläuterter
Weise jeweils dem Maximalwert, den das Rampensignal Vr während einer
vorherigen Periode erreicht hat. Die Amplitude dieses Abtastsignals
Vsh ist damit proportional zu der Periodendauer T des periodischen
Signals Vp. Aus diesem Abtastsignal Vsh wird mittels eines Spannungsteilers 150 ein Spannungsteilersignal
Vd erzeugt, welches über
das Teilerverhältnis
dieses Spannungsteilers proportional ist zu der Amplitude des Abtastsignals
Vsh. Der Spannungsteiler 150 weist in dem Beispiel zwei Spannungsteilerwiderstände 151, 152 auf,
die jeweils Widerstandswerte R151, R152 besitzen. Für das Teilersignal
Vd gilt in dem Beispiel: Vd = Vsh·R152/(R151
+ R152) (1).
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Mit
n = (R152 + R151)/R152 gilt dabei: Vd = Vsh/n (2),
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Das
Teilersignal Vd ist zusammen mit dem Rampensignal Vr einem zweiten
Vergleicher 160 zugeführt.
Das Rampensignal Vr ist in dem Beispiel dem Plus-Eingang dieses
zweiten Vergleichers 160 zugeführt, und das Teilersignal Vd
ist dem Minus-Eingang
dieses Vergleichers 160 zugeführt. Am Ausgang dieses Vergleichers 160 liegt
ein zweites Vergleichssignal S160 an, das jeweils dann eine steigende
Flanke aufweist, wenn das Rampensignal Vr den Wert des Teilersignals
Vd erreicht. Davon ausgehend, dass die Periodendauer des periodischen
Signals Vp über
mehrere Perioden dieses Signals konstant ist, entspricht der zeitliche
Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden steigenden Flanken des zweiten
Vergleichssignals S160 der Periodendauer T des periodischen Signals
Vp. Diese steigenden Flanken sind jedoch zeitlich verschoben zu
den fallenden Flanken des ersten Vergleichssignals S110 bzw. zeitlich
verschoben zu den Nullspannungszeitpunkten des periodischen Signals
Vp. Das zweite Vergleichssignal S160 stellt damit ein zu dem periodischen
Signal Vp phasenverschobenes Signal dar.
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Vorzugsweise
ist dem zweiten Vergleicher 160 ein weiterer monostabiler
Impulsgenerator 170 nachgeschaltet, der dazu ausgebildet
ist, jeweils nach einer steigenden Flanke des zweiten Vergleichssignals
S160 einen Impuls einer vorgegebenen Zeitdauer zu erzeugen. Der
zeitliche Verlauf eines am Ausgang dieses Impulsgenerators 170 anliegenden
Impulssignals, das in dem Beispiel das Ausgangssignal Sout der Anordnung
bildet, ist in 4 dargestellt. Eine steigende
Flanke dieses Impulssignals Sout liegt in dem Beispiel jeweils dann
vor, wenn das Rampensignal Vr den Wert des Teilersignals Vd erreicht.
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Eine
zeitliche Verschiebung Δt
einer steigenden Flanke dieses Ausgangssignals Sout zu dem Beginn
einer ansteigenden Flanke des Rampensignals Vr steht über das
Teilerverhältnis
des Spannungsteilers in Bezug zur Dauer einer ansteigenden Flanke T1
des Rampensignals Vs. Dabei gilt: Δt
= Vd/Vr·T1
= 1/n·T1 (3),
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Geht
man davon aus, dass die Dauer T1 der steigenden Flanken des Rampensignals
Vr annähernd
der Periodendauer T entspricht, und dass der zeitliche Versatz Δt groß ist im
Vergleich zu den Impulsdauern des Impulssignals S20, während der das Rampensignal
fallende Flanken aufweist, so gilt für diesen zeitlichen Versatz
bzw. diese Phasenverschiebung Δt: Δt = 1/n·T (4).
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Das
Ausgangssignal Sout der in 3 dargestellten
Anordnung ist damit phasenverschoben gegenüber dem periodischen Eingangssignal
Vp. Die Phasenverschiebung T/n ist dabei über das Spannungsteilerverhältnis des
Spannungsteilers 150 einstellbar. In dem dargestellten
Beispiel sind Impulse des Ausgangssignals Sout jeweils zeitlich
versetzt zu Nullspannungszeitpunkten nach fallenden Flanken des
periodischen Eingangssignals Vp. Selbstverständlich kann die Anordnung jedoch
auch dahingehend modifiziert werden, dass Impulse des Ausgangssignals
Sout zeitlich versetzt zu Nullspannungszeitpunkten auf steigenden
Flanken des periodischen Signals Vp liegen. Im einfachsten Fall
werden hierzu die Eingänge
des ersten Vergleichers 110 zu vertauschen.
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Die
dargestellte Vorrichtung ist insbesondere in einem freischwingendem
Schaltwandler zur Detektion solcher Zeitpunkte geeignet, zu denen
eine freischwingende Trafoschwingung ihren Minimalwert besitzt.
Das Teilerverhältnis
des Spannungsteilers ist in diesem Fall so einzustellen, dass Impulse
des Ausgangssignals Sout jeweils um eine Phaseverschiebung von T/4
versetzt zu Nullspannungszeitpunkten der freien Trafoschwingung
erzeugt werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung steht
die Phasenverschiebung stets in einem vorgegebenen festen Verhältnis zur
Periodendauer des zugeführten
periodischen Signals Vp. Die Phasenverschiebung ist jedoch unabhängig vom
Absolutwert dieser Periodendauer. Die Periodendauer wird bei der
erfindungsgemäßen Anordnung
unter Verwendung des Rampensignalgenerators 130 und des
Abtast- und Halteglieds 140 ermittelt, wobei das Abtastsignal
Vsh in bereits erläuterter
Weise einen Messwert für
diese Periodendauer darstellt. Dieser jeweils für eine vorhe rige Periodendauer
ermittelte Periodendauerwert wird während einer aktuellen Periode zur
Erzeugung des zeitlich versetzten Ausgangssignals Sout verwendet.
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5 zeigt
ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel für den Rampensignalgenerator 130.
Dieser Rampensignalgenerator weist eine Stromquelle 31 und
ein kapazitives Speicherelement 34, über dem das Rampensignal Vr
abgreifbar, auf. Das kapazitive Speicherelement 34 kann über einen ersten
Schalter 32 an die Stromquelle 31 und über einen
zweiten Schalter 33 kurzgeschlossen werden. Bei geschlossenem
ersten Schalter 32 entsteht eine Reihenschaltung der Stromquelle 31 und
des kapazitiven Speicherelementes 34 zwischen einer Klemme für Versorgungspotential
V+ und Bezugspotential GND. Die Spannung Vs über dem kapazitiven Speicherelement 34 steigt
in diesem Fall linear an, sofern die Spannung Vs kleiner als die
Versorgungsspannung V+ ist. Bei geöffnetem ersten Schalter 32 und geschlossenem
zweiten Schalter 33 wird das kapazitive Speicherelement 34 entladen.
Die beiden Schalter 32, 33 sind über das
Impulssignal S20 angesteuert, wobei der erste Schalter 32 über einen
Inverter 35 und der zweite Schalter 33 direkt
durch das Impulssignal S20 angesteuert sind. Wenn kein Impuls des
Impulssignals S20 vorliegt, ist der erste Schalter 32 geschlossen
und die Spannung über
dem Kondensator 34 steigt linear an. Während kurzer Zeitdauern, während derer
ein Impuls des Impulssignals S20 vorliegt, ist der erste Schalter 32 geöffnet und
der zweite Schalter 33 geschlossen um den Kondensator 34 zu
entladen bzw. den Rampensignalgenerator zurückzusetzen.
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6 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Anordnung
zur Erzeugung eines zu einem periodischen Signal Vp phasenverschobenen
Signals Sout. 7 zeigt zeitliche Verläufe ausgewählter Signale
der in 6 dargestellten Anordnung.
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Die
Anordnung weist einen ersten Vergleicher 210 auf, dem das
periodische Signal Vp und das Referenzsignal Vref zugeführt sind.
Dieser erste Vergleicher 210 entspricht bezüglich seiner
Funktion der Funktion des ersten Vergleichers 110 der Anordnung in 3.
Dem Minus-Eingang dieses ersten Vergleichers 210 ist das
periodische Signal Vp zugeführt und
dem Plus-Eingang ist ein Referenzsignal Vref zugeführt, das
in dem Beispiel knapp oberhalb des Minimums des zugeführten periodischen
Signals Vp liegt. Dieses Referenzsignal Vref beträgt beispielsweise
zwischen 1 % und 10 % der maximalen Amplitude des periodischen Signals
Vp. Ein am Ausgang dieses ersten Vergleichers 210 anliegendes
erstes Vergleichssignal S210 weist jeweils dann eine steigende Flanke
auf, wenn das periodische Signal Vp den Referenzwert Vref unterschreitet.
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Dem
ersten Vergleicher 210 ist ein erste monostabiler Impulsgenerator 220 nachgeschaltet,
der dazu ausgebildet ist, nach einer steigenden Flanke des ersten
Vergleichssignals S210 einen Impuls einer vorgegebenen Zeitdauer
zu erzeugen. Der zeitliche Verlauf dieses ersten Impulssignals S1
abhängig von
dem Vergleich zwischen dem periodischen Signal Vp und dem Referenzsignal
Vref ist in 7 dargestellt. Das Ausgangssignal
S1 dieses ersten Impulsgenerators 220 ist einem zweiten
Impulsgenerator 221 zugeführt, der dazu ausgebildet ist,
jeweils bei einer fallenden Flanke des ersten Impulssignals S1 eine
steigende Flanke zu erzeugen. Eine steigende Flanke dieses zweiten
Impulssignals S2 liegt jeweils zeitlich versetzt nach einer steigenden
Flanke des ersten Vergleichssignals S210 vor, wobei die zeitliche
Verschiebung zwischen diesen beiden Flanken von der Impulsdauer
der Impulse abhängig
ist, die von dem ersten Impulsgenerator 220 erzeugt werden.
Das von dem ersten Impulssignal S1 abhängige zweite Impulssignal S2
ist in 7 ebenfalls dargestellt.
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Die
Anordnung weist einen ersten Rampensignalgenerator 230 auf,
dem das zweite Impulssignal S2 zugeführt ist. Dieser Rampensignalgenerator weist
in dem Beispiel eine Reihenschal tung einer Stromquelle 231 und
eines kapazitiven Speicherelements 232 auf, die in Reihe
zwischen eine Klemme für
ein Versorgungspotential V+ und eine Klemme für Bezugspotential GND geschaltet
sind. Eine parallel zu dem kapazitiven Speicherelement 233 geschaltete
Zenerdiode 232 dient als Überspannungsschutz für das kapazitive
Speicherelement. Parallel zu dem kapazitiven Speicherelement liegt
ein Reihenschaltung mit einem Schalter 235, der durch das
zweite Impulssignal S2 angesteuert ist, und mit einem Widerstand 234.
Bei diesem Rampensignalgenerator 230 wird das kapazitive
Speicherelement 233 bei geöffnetem Schalter über die
Stromquelle 231 aufgeladen, wodurch eine Spannung Vr1 über dem
kapazitiven Speicherelement linear ansteigt. Bei geschlossenem Schalter
wird das kapazitive Speicherelement 233 entladen, wodurch
die Spannung Vr1 auf Bezugspotential GND absinkt. Der zeitliche
Verlauf der Spannung Vr1 über
dem kapazitiven Speicherelement, die das Ausgangssignal des Rampensignalgenerators 230 bildet,
ist ebenfalls in 7 dargestellt. Wie ersichtlich
ist, steigt diese Spannung Vr1 jeweils nach einer fallenden Flanke
des zweiten Impulssignals S2 bis zu einer steigenden Flanke eines
zeitlich darauffolgenden Impulses dieses Impulssignals S2 an. Während der
Impulsdauer dieser Impulse, während
der der Schalter 235 geschlossen wird, fällt das Rampensignal
Vr1 auf einen Ausgangswert, der in dem Beispiel Bezugspotential
GND entspricht, ab.
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Das
erste Rampensignal Vr1 ist einem Abtast- und Halteglied 240 zugeführt. Dieses
Abtast- und Halteglied umfasst in dem Beispiel einen Puffer und
ein an den Ausgang des Puffers angeschlossenes kapazitives Speicherelement 242.
Der Puffer ist beispielsweise ein Verstärker mit einer Verstärkung von
1 und einer hohen Stromergiebigkeit und dient dazu, das kapazitive
Speicherelement 233 des ersten Rampensignalgenerators 230 nicht
zu belasten, wenn das kapazitive Speicherelement 242 des
Abtast- und Halteglieds 240 aufgeladen bzw. umgeladen werden
muss. Der Pufferverstärker 241 ist über einen
Schalter 243 nach Maßgabe
des ersten Impulssignals S1 angesteuert. Der Pufferverstärker 241 liefert
während
solcher Zeitdauern, während
der ein Impuls des Impulssignals S1 vorliegt, eine Spannung Vsh
an seinem Ausgang, die der Spannung des an seinem Eingang anliegenden
Rampensignals Vr1 entspricht. Aufgrund der zeitlichen Abfolge der
Impulse des ersten Impulssignals S1 und der Impulse des zweiten
Impulssignals S2 entspricht diese Zeitdauer der Impulse des ersten
Signals S1 einer Zeitdauer, während
der das Rampensignal Vr1 seinen Maximalwert annimmt, bevor der erste
Rampensignalgenerator 230 durch das zweite Impulssignal
S2 zurückgesetzt
wird. Die in dem Kondensator 242 des Abtast- und Halteglieds 240 gespeicherte
Spannung entspricht dabei dem Maximalwert, den das erste Rampensignal
Vr1 erreicht.
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Die über dem
Kondensator 242 des Abtast- und Halteglieds 240 anliegende
Spannung, die einem Abtastwert des ersten Rampensignals Vr1 entspricht,
ist einem Spannungsteiler 250 mit Spannungsteilerwiderständen 251, 255 zugeführt.
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Dieser
Spannungsteiler stellt eine aus dem Abtastwert Vsh erzeugte heruntergeteilte
Spannung Vd zur Verfügung,
wobei das Proportionalitätsverhältnis zwischen
dieser Spannung Vd und dem Abtastwert Vsh über das Teilerverhältnis des
Spannungsteilers zueinander in Beziehung stehen. Dieses Spannungsteilersignal
Vd ist einem ersten Eingang, in dem Beispiel dem Minus-Eingang,
eines Vergleichers 260 zugeführt. Für die heruntergeteilte Spannung
Vd abhängig
von der abgetasteten Spannung gilt Vd = Vsh·R252/(R251
+ R252) (5).
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Mit
n = (R252 + R251)/R252 gilt dabei: Vd = Vsh/n (6)R251
und R252 bezeichnen dabei die Widerstandswerte der Widerstände 251, 252.
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Einem
zweiten Eingang, in dem Beispiel dem Plus-Eingang, des Vergleichers 260 ist
ein zweites Rampensignal Vr2 zugeführt, das durch einen zweiten
Rampensignalgenerator 280 erzeugt wird. Dieser zweite Rampensignalgenerator 280 weist
eine Stromquelle 281 und ein kapazitives Speicherelement 282 auf,
die in Reihe zueinander zwischen die Klemme für Versorgungspotential V+ und
die Klemme für
Bezugspotential GND geschaltet sind. Parallel zu dem kapazitiven
Speicherelement 282 liegt eine Reihenschaltung mit einem
Widerstand 283 und einem Schalter 286. Bei geöffnetem
Schalter 286 wird das kapazitive Speicherelement 282 über die
Stromquelle 281 aufgeladen, wodurch eine über dem
kapazitiven Speicherelement 283 anliegende Spannung Vr2
linear ansteigt. Diese Spannung über
dem kapazitiven Speicherelement 282 bildet das von dem zweiten
Rampensignalgenerator 280 erzeugt zweite Rampensignal.
Bei geschlossenem Schalter 286 wird das kapazitive Speicherelement 282 entladen, um
das Rampensignal Vr2 auf einen Ausgangswert, in dem Beispiel Bezugspotential
zurückzusetzen.
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Dieser
Schalter 286 des zweiten Rampensignalgenerators 280 wird
abhängig
von dem zweiten Impulssignal S2 angesteuert, das diesem Schalter hierzu über ein
ODER-Gatter 284 zugeführt
ist.
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Das
erste und zweite Rampensignal Vr1, Vr2 werden über das zweite Impulssignal
S2 gemeinsam gestartet. Mit Beginn einer steigenden Flanke des ersten
Rampensignals Vr1 steigt auch das Rampensignal Vr2 über der
Zeit an, wie dies in 7 dargestellt ist. Erreicht
das zweite Rampensignal Vr2 den Wert des Teilersignals Vd so entsteht
eine steigende Flanke eines Ausgangssignals S260 des zweiten Vergleichers 260.
Diese steigende Flanke setzt ein dem Vergleicher 260 nachgeschaltetes
Flip-Flop 270. An dem nichtinvertierendem Ausgang Q dieses Flip-Flops 270 steht
das Ausgangssignal Sout der Anordnung zur Verfügung.
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Dem
Ausgang des zweiten Vergleichers 260 ist ein Verzögerungsglied
nachgeschaltet, das in dem Beispiel eine Reihenschaltung mit einem
Widerstand 285 und einem Kondensator 286 umfasst.
Ein Ausgang dieses Verzögerungsglieds,
der durch den dem Widerstand 285 und dem Kondensator 286 gemeinsamen
Knoten gebildet wird, ist über
das ODER-Gatter 284 dem Schalter 286 zugeführt. Nach
einer steigenden Flanke des Ausgangssignals S260 des Komparators 260 wird
der Schalter 286 über
dieses Verzögerungsglied
zeitverzögert
für eine
kurze Zeitdauer geschlossen, um den Kondensator 282 des
zweiten Rampensignalgenerators 280 zu entladen und dadurch
das zweite Rampensignal Vr2 zurückzusetzen.
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Das
Ausgangs-Flip-Flop 270 wird über das erste Impulssignal
S1 zurückgesetzt.
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Wie
bereits erläutert
wurde, und wie in 7 dargestellt ist, liegt jeweils
dann eine steigende Flanke des Ausgangssignal Sout vor, wenn das
zweite Rampensignal Vr2 den Wert des Spannungsteilersignals Vd erreicht.
Die Zeitpunkte dieser steigenden Flanken liegen zwischen den Zeitpunkten,
zu denen Impulse des zweiten Impulssignals erzeugt werden. Der zeitliche
Abstand zwischen einer steigenden Flanke des Ausgangssignals Sout
und der steigenden Flanken eines zeitlich unmittelbar vorher aufgetretenen
Impulses des zweiten Impulssignals S2 in bezogen auf die Periodendauer
des zweiten Impulssignals S2 ist bestimmt durch das Spannungsteilerverhältnis und
beträgt
bezugnehmend auf die Gleichungen (5) und (6) 1/n. Die Periodendauer
des zweiten Impulssignals S2 entspricht dabei der Periodendauer
des Eingangssignals Vp.
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In
dem dargestellten Beispiel vergleicht der Eingangskomparator 210 das
Eingangssignal mit einem Referenzwert Vref, der größer als
Null ist, wodurch die steigende Flanken des Komparatorsignals S210
bzw. des ersten Impulssignals S1 zeitlich etwas vor den Nullspannungszeitpunkten
des Eingangssignals Vp liegen. Dieser zeitliche Abstand zwischen den
steigenden Flanken des Komparatorsignals S210 und den Nullspannungszeitpunkten,
bezogen auf welche das Ausgangssignal erzeugt werden soll, wird
kompensiert durch die Dauer der Impulse des ersten Impulssignals
S1. Mit den steigenden Flanken der Impulse dieses ersten Impulssignals
S1 werden jeweils die Impulse des zweiten Impulssignals S2 erzeugt,
nach dessen Maßgabe
das Ausgangssignal Sout erzeugt wird. Unter der Annahme, dass das
Referenzsignal Vref nur knapp oberhalb von Null liegt und dass die
Dauer der ersten Impulse S1 kurz ist im Vergleich zur Periodendauer
des Eingangssignals Vp, stimmen die Anfangszeitpunkte der zweiten
Impulse S2 wenigstens annähernd
mit den Nullspannungszeitpunkten des Eingangssignals Vp überein, das
zweite Impulssignal S2 ist damit in Phase mit dem Eingangssignal
und die Phasenverschiebung zwischen dem Ausgangssignal Sout und
dem Eingangssignal Vp ist damit über
das Spannungsteilerverhältnis
einstellbar.
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Der
Spannungsteiler 250 ist in dem Beispiel eine geschalteter
Spannungsteiler, der das heruntergeteilte Spannungssignal Vd nur
während
solcher Zeitdauern bereitstellt, während derer das Ausgangssignal
Sout einen Low-Pegel aufweist bzw. während derer das invertierte
Ausgangssignals Q' einen High-Pegel
aufweist. Der Spannungsteiler 250 weist hierzu einen Schalter 253 auf,
der in Reihe zu den Spannungsteilerwiderständen 251, 252 geschaltet ist.
Während
der Zeitdauern, während
derer das Ausgangssignal Sout einen High-Pegel aufweist, entspricht
das Ausgangssignal Vd dieses Spannungsteilers dem Abtastsignal Vsh.
Ein zeitlicher Verlauf des Ausgangssignals dieses Spannungsteilers
ist ebenfalls in 7 dargestellt und dort mit dem
Bezugszeichen V250 bezeichnet.
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Die
in 6 dargestellte Anordnung lässt sich in einfacher Weise
zu einem Frequenzvervielfacher abwandeln. Entfernt man den Schalter 253 des Spannungsteilers 250 und
den Eingangskomparator 210 und verwendet man als Eingangssignal,
das dann direkt dem ersten Impulsgenerator 220 zuzuführen ist,
ein rechteckförmiges
Signal so steht als Ausgangssignal Sout e benfalls ein rechteckförmiges Signal
zur Verfügung,
dessen Frequenz über
das Spannungsteilerverhältnis
des Spannungsteilers 250 zu der Frequenz des Eingangssignals
in Beziehung steht. Für
ein Spannungsteilerverhältnis
von n:1 beträgt
die Frequenz des Ausgangssignals das n-fache der Frequenz des Eingangssignals.
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- Cin
- Eingangskondensator
- Cout
- Ausgangskondensator
- Dout
- Diode
- Lh
- Hilfswicklung
- Lp
- Primärwicklung
- Ls
- Sekundärwicklung
- S1,
S2
- Impulssignale
- S10
- pulsweitenmoduliertes
Ansteuersignal
- S110
- Vergleichssignal
- S160
- Vergleichssignal
- S20
- Impulssignal
- S20inv
- invertiertes
Impulssignal
- S210
- Vergleichssignal
- S260
- Vergleichssignal
- Sout
- Ausgangssignal
- T
- Halbleiterschalter,
Leistungstransistor
- TR
- Transformator
- V20
- Ausgangssignal
der Auswerteschaltung
- Vd
- Spannungsteilersignal
- Vh
- Spannung über der
Hilfswicklung
- Vin
- Eingangsspannung
- Vout
- Ausgangsspannung
- Vp
- gleichgerichtetes
periodisches Signal
- Vr
- Rampensignal
- Vref
- Referenzsignal
- Vsh
- Abtastwert
- Vt
- Spannung über dem
Halbleiterschalter
- 10
- Ansteuerschaltung
- 20
- Auswerteschaltung
- 21
- Widerstand
- 22
- Diode
- 23
- Kondensator
- 24
- Widerstand
- 31
- Stromquelle
- 32,
33
- Schalter
- 34
- Kondensator
- 35
- Inverter
- 110
- Vergleicher
- 120
- monostabiler
Impulsgenerator
- 130
- Rampensignalgenerator
- 140
- Abtast-
und Halteglied
- 150
- Spannungsteiler
- 151,
152
- Widerstände
- 160
- Vergleicher
- 170
- monostabiler
Impulsgenerator
- 210
- Vergleicher
- 220,
221
- monostabile
Impulsgeneratoren
- 230
- erster
Rampensignalgenerator
- 231
- Stromquelle
- 232
- Zenerdiode
- 233
- Kondensator
- 234
- Widerstand
- 240
- Abtast-
und Halteglied
- 241
- Puffer
- 242
- Kondensator
- 250
- Spannungsteiler
- 251,
252
- Spannungsteilerwiderstände
- 253
- Schalter
- 260
- Vergleicher
- 270
- RS-Flip-Flop
- 280
- zweiter
Rampensignalgenerator
- 281
- Stromquelle
- 282
- Kondensator
- 283
- Widerstand
- 284
- ODER-Gatter
- 285
- Widerstand
- 286
- Kondensator
- 286
- Schalter