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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Konvertieren einer Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung sowie ein entsprechendes Verfahren.
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Schaltungsanordnungen zum Konvertieren einer Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung werden häufig eingesetzt, um in einem Ladegerät Batterien aufzuladen. Derartige Ladegeräte sind beispielsweise zum Laden von Batterien, die in Geräten der mobilen Kommunikationstechnik oder in Digitalkameras integriert sind, vorgesehen. Weiter werden Ladegeräte zum Laden einer einzelnen Batterie oder mehrerer Batterien verwendet.
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Schaltungsanordnungen zum Konvertieren einer Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung finden ebenso in Netzsteckern Einsatz. Netzstecker sind bei Geräten in Verwendung, die am elektrischen Versorgungsnetz anschließbar sind, jedoch intern nicht eine Netzspannung von 230 Volt, sondern eine kleinere und gleichgerichtete Spannung benötigen. Übliche Schaltungsanordnungen zum Konvertieren einer Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung sind etwa ein Einweggleichrichter oder ein Brückengleichrichter.
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1A und 1B zeigen übliche Schaltungsanordnungen zum Konvertieren einer Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung. Wirkungs- beziehungsweise funktionsgleiche Bauteile tragen gleiche Bezugszeichen.
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1A zeigt einen üblichen Einweggleichrichter, der eine Diode 11 umfasst. Eingangsseitig ist die Schaltungsanordnung mit einem Transformator 4 verbunden, der zum Transformieren einer Netzspannung in eine üblicherweise kleinere Wechselspannung U-IN beziehungsweise zur galvanischen Trennung dient. Die Diode 11 ist mit einem Anschluss an die Wechselspannung U-IN angeschlossen. Die Diode 11 gibt ausgangsseitig eine gleichgerichtete Spannung U-OUT ab. Die gleichgerichtete Spannung U-OUT kann einer elektrischen Last 7 zugeführt sein, welche einen Kondensator 9 umfasst.
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Über die Diode 11 fliest dann ein Strom, wenn der momentane Wert der Wechselspannung U-IN größer als eine Knickspannung der Diode und der momentane Wert der gleichgerichteten Spannung U-OUT ist. Die Knickspannung einer Diode kann beispielsweise je nach Typ in der Größenordnung von etwa 0,3 Volt bis 0,6 Volt sein. Somit wird weniger als eine Halbwelle der Wechselspannung U-IN zur Umsetzung in die gleichgerichtete Spannung U-OUT verwendet.
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1B zeigt einen üblichen Brückengleichrichter, der vier Dioden 11, 12, 13, 14 umfasst. Eine Batterie 10 ist über eine Ladeschaltung 15 mit dem Ausgangsanschluss 5 verknüpft. In dieser Schaltungsanordnung werden Abschnitte beider Halbwellen der Wechselspannung U-IN zum Erzeugen der gleichgerichteten Spannung U-OUT ausgenützt.
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In üblichen Schaltungsanordnungen kann aufgrund der Durchlass- oder Knickspannung von Dioden die Wechselspannung U-IN nicht vollständig ausgenützt werden, um die gleichgerichtete Spannung U-OUT zu erzeugen. Die gleichgerichtete Spannung U-OUT ist auch bei Fehlen einer Last immer um die Durchlassspannung einer Diode kleiner als der Scheitelwert der Wechselspannung U-IN.
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Dokument
EP 1 521 354 A2 beschreibt einen Synchrongleichrichter. Dabei umfasst ein elektronischer Diodenschaltkreis einen Feldeffekttransistor und einen Operationsverstärker, dessen beide Eingänge mit einem ersten und einem zweiten Anschluss des Feldeffekttransistors und dessen Ausgang mit einem Steueranschluss des Feldeffekttransistors verbunden sind. Der Diodenschaltkreis arbeitet als Synchrongleichrichter und gestattet ein Ein- und Ausschalten eines gleichgerichteten Stromes.
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Dokument
EP 1 067 667 A1 befasst sich mit einer Spannungsversorgungsanordnung. Eine Wechselspannung wird von einem Generator erzeugt und einer Gleichrichterschaltung zugeleitet, die einen Wechselstrom einem Kondensator als Leistungsspeicherelement abgibt. Ein Anschluss des Generators ist über eine unidirektionale Einheit mit einer Leitung gekoppelt, an der eine hohe Spannung bereitgestellt wird. Die unidirektionale Einheit umfasst einen Komparator und einen Feldeffekttransistor. Der Komparator vergleicht eine Generatorspannung an dem Anschluss des Generators mit der hohen Spannung und bewirkt ein Leiten des Feldeffekttransistors, wenn die Generatorspannung höher als die hohe Spannung ist.
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In Dokument
US 2004/0 125 621 A1 ist ein Synchrongleichrichter eines Leistungswandlers beschrieben. Dabei umfasst ein Spannungswandler einen Synchrongleichrichter, welcher einen Transistor aufweist, und einen seriell zum Synchrongleichrichter geschalteten Shunt-Widerstand zur Strommessung. Eine Steuerungseinheit ist eingangsseitig mit den Anschlüssen des Transistors und des Shunt-Widerstandes und ausgangsseitig mit einem Steueranschluss des Transistors verbunden. Der Gleichrichter wird ausgeschaltet, wenn der Strom einen Schwellwert unterschreitet, um eine Entladung eines Ausgangskondensators zu verhindern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine effiziente Schaltungsanordnung zum Konvertieren einer Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung zu schaffen und ein Verfahren zum Konvertieren bereitzustellen, wobei ein zu hoher Stromfluss vermieden wird.
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Diese Aufgaben werden mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 und dem Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 18 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Schaltungsanordnung zum Konvertieren einer Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung umfasst den ersten Transistor und die Steuerungsschaltung. Der erste Transistor ist mit seinem ersten Anschluss mit dem Eingangsanschluss der Schaltungsanordnung verbunden. Der erste Transistor ist an seinem zweiten Anschluss mit dem Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung verbunden. Der Eingangsanschluss dient zum Zuführen der Wechselspannung; am Ausgangsanschluss ist die gleichgerichtete Spannung abgreifbar.
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Die Steuerungsschaltung ist an ihrem ersten Eingang mit dem ersten Anschluss des ersten Transistors sowie an ihrem zweiten Eingang mit dem zweiten Anschluss des ersten Transistors verbunden. Der erste und der zweite Eingang dienen der Zuführung von Informationen über den aktuellen Wert der Spannung an dem ersten und dem zweiten Anschluss des ersten Transistors.
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Der erste Ausgang der Steuerungsschaltung ist mit dem Steueranschluss des ersten Transistors zur Zuführung eines ersten Steuersignals verbunden.
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Die Steuerungsschaltung ist dazu ausgelegt, das erste Steuersignal in Abhängigkeit von dem Wert der Spannung am ersten Anschluss und von dem Wert der Spannung am zweiten Anschluss des ersten Transistors zu erzeugen.
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Weiter umfasst die Schaltungsanordnung einen Widerstand zur Strommessung, der zwischen den zweiten Anschluss des ersten Transistors und den Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung geschaltet ist oder der zu einem dritten Transistor derart seriell geschaltet ist, dass die Serienschaltung aus dem dritten Transistor und dem Widerstand eingangsseitig und ausgangsseitig parallel zu dem ersten Transistor geschaltet ist. Dabei ist die Steuerungsschaltung dazu ausgelegt, das erste Steuersignal derart einzustellen, dass der durch den Ausgangsanschluss fließende Strom kleiner als ein einstellbarer Grenzwert ist.
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Es ist ein Vorteil dieser Schaltungsanordnung, dass bei durchgeschaltetem ersten Transistor kein Spannungsabfall aufgrund einer Diodendurchlassspannung bei dem Erzeugen der gleichgerichteten Spannung auftritt.
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Alternativ zu einer Wechselspannung kann auch eine Spannung mit einem anderen Zeitverlauf an den Eingangsanschluss der Schaltungsanordnung angelegt sein und zur Erzeugung der gleichgerichteten Spannung eingesetzt sein. Dies kann auch eine Wechselspannung mit überlagerter Gleichspannung sein. Die Schaltungsanordnung kann auch in einem Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandler, abgekürzt DC/DC-Wandler, eingesetzt sein. Die Schaltungsanordnung kann alternativ zur Abwärtswandlung einer Gleichspannung in eine niedrigere, gleichgerichtete Spannung verwendet sein.
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In einer Weiterbildung ist die Steuerungsschaltung ausgelegt, den momentanen Wert der Spannung am ersten Anschluss und den momentanen Wert der Spannung am zweiten Anschluss des ersten Transistors zu vergleichen. Die Steuerungsschaltung ist weiter dazu ausgelegt, das Steuersignal derart einzustellen, dass der erste Transistor bei einem höheren Momentanwert der Spannung am ersten Anschluss verglichen mit dem Momentanwert der Spannung am zweiten Anschluss in einen aktiven Betriebszustand und im gegenteiligen Fall in einen inaktiven Betriebszustand geschaltet ist. Im aktiven Betriebszustand ist der erste Transistor im Durchlass geschaltet; hingegen zeigt der erste Transistor im inaktiven Betriebszustand die Funktion eines offenen Schalters. Somit kann mit Vorteil in der gesamten Zeitspanne, in der die Spannung am ersten Anschluss höher als die Spannung am zweiten Anschluss des ersten Transistors ist, dem Ausgang Energie aus dem Eingang der Schaltungsanordnung zugeführt werden.
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In einer Ausführung ist der Widerstand, der im Folgenden als der erste Widerstand bezeichnet ist, zwischen dem zweiten Anschluss des ersten Transistors und dem Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung geschaltet. Der Steuerungsschaltung wird an ihrem dritten Eingang eine Information über die gleichgerichtete Spannung zugeführt. Aus dem Spannungsabfall über dem ersten Widerstand und dem Wert des ersten Widerstands ist ein durch den ersten Widerstand beziehungsweise durch den Ausgangsanschluss fließender Strom bestimmbar. In einer Ausführungsform kann die Steuerschaltung die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen des ersten Widerstandes mit einem einstellbaren Spannungswert, der sich aus dem Produkt des Grenzwertes für den Strom und dem Widerstandswert ergibt, vergleichen.
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Die Schaltungsanordnung ist gemäß der Weiterbildung ausgelegt, das Steuersignal derart einzustellen, dass der Strom durch den Widerstand geringer als ein oberer Grenzwert ist. Dazu ist der erste Transistor als ein einstellbarer Widerstand eingesetzt, dessen Widerstandswert von der Steuerungsschaltung bestimmt ist. Mit Vorteil kann somit während jedem Betriebszeitpunkt der Strom, der einer an dem Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung angeschlossenen elektrischen Last zugeführt wird, unter einem vorgegebenen Grenzwert eingestellt sein.
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In einer Weiterbildung ist die Steuerungsschaltung ausgelegt, das an ihrem dritten Eingang anliegende Signal mit einem Referenzspannungswert zu vergleichen und den ersten Transistor in einen inaktiven Betriebszustand zu schalten, falls die gleichgerichtete Spannung einen einstellbaren Wert erreicht oder überschritten hat. Mit Vorteil wird dadurch erreicht, dass die gleichgerichtete Spannung einen Grenzwert nicht überschreitet und somit die elektrische Last vor einer Überspannung geschützt ist.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Steuerungsschaltung derart ausgelegt, dass der erste Transistor entweder so angesteuert ist, dass er die Funktion eines geschlossenen Schalters zeigt und sein Innenwiderstand sehr gering ist, oder so angesteuert ist, dass er die Funktion eines offenen Schalters zeigt und sein Innenwiderstand sehr hoch ist. Zwischenwerte des Innenwiderstandes des ersten Transistors sind in diesem Fall nicht vorgesehen. Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, dass dadurch nur geringe elektrische Verluste in dem ersten Transistor auftreten. Im Durchschnitt ergibt sich ein gewünschter Strom und/oder die gewünschte maximale Spannung. In einer Variante wird der einstellbare Grenzwert für die gleichgerichtete Spannung und der einstellbare Grenzwert für den Strom im Mittel über mehrere Perioden der Wechselspannung eingehalten.
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Die einstellbaren Grenzwerte für den Strom oder/und die gleichgerichtete Spannung können in der Steuerungsschaltung eingestellt sein. Alternativ kann eine Information über einen oder beide der einstellbaren Grenzwerte als Eingangssignal mittels eines vierten Eingangs der Steuerungsschaltung zugeführt sein. Mittels des vierten Eingangs kann alternativ auch ein Ein-/Aus-Signal der Steuerungsschaltung zugeführt sein, um die Schaltungsanordnung ein- beziehungsweise auszuschalten.
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In einer Weiterbildung umfasst die Steuerungsschaltung einen ersten Komparator, eine Steuerzelle und eine erste Zelle. Dem ersten Komparator wird eingangsseitig über den ersten Eingang der Steuerungsschaltung ein momentaner Wert der Wechselspannung und über den zweiten Eingang der Steuerungsschaltung ein momentaner Wert der Spannung an dem zweiten Anschluss des ersten Transistors zugeführt. Ein zweites Steuersignal der Steuerzelle und ein Ausgangsignal des ersten Komparators werden der ersten Zelle eingangsseitig zugeführt. Ausgangsseitig ist die erste Zelle über einen ersten Ausgang der Steuerungsschaltung mit dem Steueranschluss des ersten Transistors verbunden. Somit kann mit Vorteil mittels des ersten Komparators festgelegt sein, in welchem Zeitraum der erste Transistor in Durchlass schaltbar ist, um den Wert der gleichgerichteten Spannung zu vergrößern.
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Die erste Zelle kann in einer Ausführungsform ein Multiplizierer sein.
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Die erste Zelle kann in einer bevorzugten Weiterbildung als ein Schalter ausgeführt sein. Das Ausgangssignal des ersten Komparators dient zum Einstellen des Schalters in einen offenen und in einen geschlossenen Zustand. Das von der Steuerzelle abgegebene zweite Steuersignal dient zum genauen Einstellen des an dem ersten Ausgang der Steuerungsschaltung abgegebenen Signals und damit zum Einstellen des ersten Transistors. Ist beispielsweise die gleichgerichtete Spannung größer als der einstellbare Vorgabewert, so ist die Steuerzelle ausgelegt, an ihrem Ausgang das zweites Steuersignal abzugeben, welches der ersten Zelle so zugeführt ist, dass der erste Transistor sich in einem inaktiven Betriebszustand befindet.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Steuerungsschaltung derart ausgelegt, das erste Steuersignal so zu bilden, dass der erste Transistor eine geringe Leitfähigkeit auch im inaktiven Betriebszustand zeigt, um Spannungs- und Stromspitzen zu vermeiden, die durch ein abruptes Ein- oder Ausschalten entstehen können.
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In einer Weiterbildung umfasst die Schaltungsanordnung einen zweiten Transistor. Der zweite Transistor ist an einem ersten Anschluss mit einem weiteren Eingangsanschluss der Schaltungsanordnung verbunden. Ein zweiter Anschluss des zweiten Transistors ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Transistors verbunden. An einem zweiten Ausgang der Steuerungsschaltung liegt ein drittes Steuersignal an, welches einem Steueranschluss des zweiten Transistors zugeführt ist. Mit Vorteil kann somit die Steuerungsschaltung ausgelegt sein, den zweiten Transistor in Durchlass zu schalten, wenn der momentane Wert der Wechselspannung an dem zweiten Eingangsanschluss der Schaltungsanordnung höher als der Wert an dem zweiten Anschluss des zweiten Transistors ist. So können beide Halbwellen der Eingangswechselspannung für die Gleichrichtung genutzt werden.
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Das Steuersignal des zweiten Transistors kann analog wie das Steuersignal des ersten Transistors erzeugt sein. Dazu umfasst die Steuerungsschaltung einen zweiten Komparator und eine zweite Zelle. Der zweite Komparator ist eingangsseitig an den ersten und den zweiten Anschluss des zweiten Transistors angeschlossen. Somit wird mit Vorteil der zweite Transistor nur dann in einen geschlossenen Betriebszustand geschaltet, wenn die an seinem ersten Anschluss anliegende Wechselspannung größer als die Spannung an seinem zweiten Anschluss ist.
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In einer Ausführung umfasst die Schaltungsanordnung die Serienschaltung aus dem dritten Transistor und dem Widerstand, der im Folgenden als der zweite Widerstand bezeichnet ist. Die Serienschaltung kann parallel sowohl eingangsseitig wie auch ausgangsseitig zum ersten Transistor geschaltet sein. Der zweite Widerstand dient zur Strommessung. Dazu kann die Spannung an dem ersten Anschluss und die Spannung an dem zweiten Anschluss des zweiten Widerstandes der Steuerungsschaltung zugeführt sein. Aus diesen Spannungen wird der Strom durch den zweiten Widerstand ermittelt. Dieser Strom korreliert mit dem Gesamtstrom, der durch den ersten Transistor und die Serienschaltung fließt.
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Die Schaltungsanordnung umfasst in einer Weiterbildung eine weitere Serienschaltung, aufweisend einen vierten Transistor und einen dritten Widerstand, die eingangsseitig und ausgangsseitig parallel zum zweiten Transistor geschaltet ist. Die Spannungen an dem ersten und an dem zweiten Anschluss des dritten Widerstandes sind der Steuerungsschaltung zugeführt. Aus der Spannungsdifferenz ist mittels des Widerstandswertes des dritten Widerstandes der Strom durch die weitere Serienschaltung ermittelbar. Dieser Strom korreliert mit dem Gesamtstrom, der durch den zweiten Transistor und die weitere Serienschaltung fließt. Somit kann mit Vorteil die Schaltungsanordnung ohne den ersten Widerstand realisiert sein. Der Hauptteil des Stromes fließt somit vom Eingangsanschluss zum Ausgangsanschluss nur über ein Bauelement, nämlich den ersten Transistor in einer Halbwelle beziehungsweise den zweiten Transistor in der nächsten Halbwelle.
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In einer Weiterbildung weist die Schaltungsanordnung einen fünften und einen sechsten Transistor auf. Der fünfte Transistor ist an seinem ersten Anschluss mit dem Eingangsanschluss der Schaltungsanordnung verbunden. Ein erster Anschluss des sechsten Transistors ist mit dem weiteren Eingangsanschluss verknüpft. Die zweiten Anschlüsse des fünften und sechsten Transistors sind miteinander verbunden. In einer Ausführungsform ist der zweite Anschluss des fünften Transistors beziehungsweise der zweite Anschluss des sechsten Transistors mit dem Bezugspotentialanschluss verbunden.
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In einer Weiterbildung führt die Steuerungsschaltung jeweilige Steuersignale zum Einstellen des fünften und sechsten Transistors einem Steueranschluss des fünften Transistors beziehungsweise einem Steueranschluss des sechsten Transistors zu. Die Steuerungsschaltung kann dazu die Steuersignale, welche dem Steueranschluss des ersten und dem Steueranschluss des zweiten Transistors zugeleitet sind, direkt oder nach einer Umwandlung an die Steueranschlüsse des fünften und des sechsten Transistors zuführen. Zu der Umwandlung kann ein erster und zweiter Inverter eingesetzt sein.
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In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Schaltungsanordnung ein Steuerungsschaltungsteil mit einem dritten und einem vierten Komparator sowie einem ersten und einem zweiten Logikgatter. Das Steuerungsschaltungsteil ist ausgelegt dazu, die Steuerung des fünften und des sechsten Transistors einzustellen. Das erste und das zweite Logikgatter kann in einer Ausführungsform ein Oder-Gatter sein.
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In einer alternativen Ausführung umfasst die Schaltungsanordnung ein Steuerungsschaltungsteil mit einem dritten und einem vierten Komparator und eine bistabile Kippschaltung mit einem Setz- und einem Rücksetz-Eingang, englisch Reset/Set-Flip-Flop, abgekürzt RS-Flip-Flop.
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Der Steuerungsschaltungsteil ist in einer Ausführungsform funktionell unabhängig von der Steuerungsschaltung.
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Der erste, zweite, dritte, vierte, fünfte oder sechste Transistor kann als ein Feldeffekt-Transistor ausgebildet sein. Der Feldeffekt-Transistor kann ein Junction-Feldeffekt-Transistor sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Feldeffekt-Transistor als ein Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor, abgekürzt MOSFET, realisiert.
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Der Feldeffekt-Transistor kann als Leistungstransistor ausgebildet sein.
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Der Feldeffekt-Transistor kann als ein n-Kanal-Feldeffekt-Transistor realisiert sein. Alternativ ist der Feldeffekt-Transistor als ein p-Kanal-Feldeffekt-Transistor ausgebildet.
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In einer Ausführungsform ist der erste und der zweite Transistor als ein p-Kanal-Feldeffekt-Transistor sowie der fünfte und der sechste Transistor als ein n-Kanal-Feldeffekt-Transistor realisiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der dritte und vierte Transistor ebenfalls ein p-Kanal-Feldeffekttransistor, falls der erste und der zweite Transistor ein p-Kanal-Feldeffekt-Transistor ist. Der erste, zweite, dritte und vierte Transistor befinden sich bevorzugt auf demselben Halbleiterkörper.
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Feldeffekt-Transistoren werden mit ihrem Substrat-Anschluss an ein vorgegebenes Potential angeschlossen.
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Die Ansteuerung der gewählten Typen von Feldeffekt-Transistoren erfolgt auf an sich bekannte Weise. Geeignete Steuerspannungen für die Steueranschlüsse und Spannungen für die Substrat-Anschlüsse oder Verbindungen der Substrat-Anschlüsse mit anderen Anschlüssen sind vorgesehen.
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Ein Substrat-Anschluss des n-Kanal-Feldeffekt-Transistors kann mit dem Bezugspotentialanschluss verbunden sein. Ein Bulk-Anschluss des p-Kanal-Feldeffekt-Transistors kann mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt sein.
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Für den Bulk-Anschluss des p-Kanal-Feldeffekt-Transistors kann eine Schaltung vorgesehen sein, welche den ersten Anschluss des p-Kanal-Feldeffekt-Transistors mit dem Bulk-Anschluss verbindet, falls die Spannung am ersten Anschluss höher ist als die Spannung am zweiten Anschluss des Transistors, und im anderen Fall den zweiten Anschluss mit dem Bulk-Anschluss verbindet. Entsprechend kann für den Substrat-Anschluss des n-Kanal-Feldeffekt-Transistors eine Schaltung vorgesehen sein, welche den ersten Anschluss des n-Kanal-Feldeffekt-Transistors mit dem Substrat-Anschluss verbindet, falls die Spannung am ersten Anschluss kleiner ist als die Spannung am zweiten Anschluss des Transistors, und im anderen Fall den zweiten Anschluss mit dem Substrat-Anschluss verbindet. In einer Ausführungsform kann diese Verbindung einen Halbleiterschalter umfassen.
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Die Steuerschaltung und die Transistoren können auf verschiedenen Halbleiterkörpern realisiert sein. Damit können mit Vorteil spezielle Technologien für die Realisierung der Bauelemente mit hohen Strömen eingesetzt werden.
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Die Schaltungsanordnung kann alternativ auf einem Halbleiterkörper integriert sein. Es ist ein Vorteil der Integration der aktiven Bauelemente und der Steuerungsschaltung auf einem Halbleiterkörper, dass Leitungslängen verkürzt und die Anzahl von Kontakten und damit der Aufwand der Kontaktierung klein gehalten werden kann.
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An den Ausgangsanschluss kann eine elektrische Last anschließbar sein. Die elektrische Last kann einen Kondensator aufweisen, der zur Glättung der gleichgerichteten Spannung sowie zur Energiespeicherung dient. Die elektrische Last kann eine aufladbare Batterie aufweisen.
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An den Eingangsanschluss der Schaltungsanordnung kann ein sekundärseitiger Anschluss eines Transformators anschließbar sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Eingangsanschluss der Schaltungsanordnung mit einer Empfangsspule zur Zuführung von Energie verbunden sein und die Schaltungsanordnung Teil einer drahtlosen Ladungsarchitektur sein.
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In einer Ausführungsform ist zur Versorgung der Steuerschaltung beziehungsweise des Steuerungsschaltungsteils mit einer Versorgungsspannung ein Gleichrichter mit mindestens einer Diode an den Eingangsanschluss angeschlossen. Mittels dieses Gleichrichters wird eine Hilfsspannung erzeugt, mit der die Steuerungsschaltung beispielsweise anlaufen beziehungsweise eingeschaltet werden kann.
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Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 18 gelöst.
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Das Verfahren zum Konvertieren einer Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung umfasst somit folgende Schritte: Der momentane Wert der Spannung an dem ersten Anschluss des ersten Transistors wird mit dem momentanen Wert der Spannung an dem zweiten Anschluss des ersten Transistors verglichen. An dem ersten Anschluss des ersten Transistors liegt die Wechselspannung an. Der zweite Anschluss des Transistors ist mit dem Ausgangsanschluss verbunden. An dem Ausgangsanschluss wird die gleichgerichtete Spannung abgegeben.
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Ein Strom wird mit einem Widerstand gemessen, der zwischen den zweiten Anschluss des ersten Transistors und den Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung geschaltet ist oder der zu einem dritten Transistor derart seriell geschaltet ist, dass die Serienschaltung aus dem dritten Transistor und dem Widerstand eingangsseitig und ausgangsseitig parallel zu dem ersten Transistor geschaltet ist.
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Das erste Steuersignal zum Einstellen des ersten Transistors wird so eingestellt, dass der erste Transistor in einen aktiven Betriebszustand geschaltet wird, falls der momentane Wert der Spannung an dem ersten Anschluss größer als der momentane Wert der Spannung an dem zweiten Anschluss ist.
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Im Falle, dass der momentane Wert der Spannung an dem ersten Anschluss kleiner als der momentane Wert der Spannung an dem zweiten Anschluss ist, wird der erste Transistor mittels des ersten Steuersignals in einen inaktiven Betriebszustand geschaltet. Das erste Steuersignal wird derart eingestellt, dass der durch den Ausgangsanschluss fließende Strom kleiner als ein einstellbarer Grenzwert ist.
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Somit wird mit Vorteil der erste Transistor nur dann in einen geschlossenen Zustand geschaltet, wenn aufgrund der Spannungsverhältnisse ein Energiefluss vom Eingang zum Ausgang einer Schaltungsanordnung möglich ist.
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In einer Ausführungsform wird zusätzlich der momentane Wert der gleichgerichteten Spannung mit einem eingestellten Wert für die gleichgerichtete Spannung verglichen. Das erste Steuersignal zum Einstellen des ersten Transistors wird nur dann so eingestellt, dass der erste Transistor in einen aktiven Betriebszustand geschaltet wird, falls der momentane Wert der gleichgerichteten Spannung kleiner als der eingestellte Wert für die gleichgerichtete Spannung ist. Mit Vorteil wird der Energiefluss gestoppt, wenn die gleichgerichtete Spannung den Vorgabewert erreicht oder überschritten hat.
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In einer Weiterbildung wird das erste Steuersignal so eingestellt, dass ein Strom, der durch den ersten Transistor fließt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen Wert ist. Mit Vorteil wird dadurch ein Laststrom begrenzt.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Schalten des ersten Transistors in den inaktiven Betriebszustand ausschließlich im Nulldurchgang der Spannungsdifferenz, die zwischen seinem ersten und seinem zweiten Anschluss auftritt, erfolgt. Mit Vorteil werden dadurch Überspannungen vermieden, da der erste Transistor zu diesem Zeitpunkt stromlos ist.
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In einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, den ersten Transistor ausschließlich in einen aktiven Betriebszustand oder in einen inaktiven Betriebszustand zu schalten, wenn eine Spannung über einer gesteuerten Strecke des ersten Transistors sehr gering verglichen mit der Amplitude der Wechselspannung ist.
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Alternativ zu einer Wechselspannung kann auch eine Spannung mit einem anderen Zeitverlauf in eine gleichgerichtete Spannung konvertiert werden. Auch eine Wechselspannung mit überlagerter Gleichspannung kann gewandelt werden. Das Verfahren kann auch zur DC/DC-Wandlung eingesetzt werden, bei dem eine Spannung in eine niedrigere Spannung konvertiert wird.
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Bezüglich anderen Weiterbildungen des Verfahrens wird auf die abhängigen Ansprüche verwiesen.
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Zusammenfassend hat das vorgeschlagene Prinzip folgende Vorteile:
- – Aktive Bauelemente werden anstelle von Dioden eingesetzt, wobei die aktiven Bauelemente auf einem Halbleiterschaltkreis realisiert werden können.
- – Während Dioden eine Durchlass- beziehungsweise Knickspannung zeigen, wird gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip die Spannung über dem Transistor ausschließlich von dem Widerstand der gesteuerten Strecke zwischen ersten und zweiten Anschluss bestimmt.
- – Der Strom zwischen dem Eingang der Schaltungsanordnung und dem Ausgang der Schaltungsanordnung fließt ohne Spannungsabfall an einer Diode zu dem Ausgangsanschluss.
- – Das vorgeschlagene Prinzip ermöglicht auch ein Konvertieren einer Spannung mit einer anderen Zeitabhängigkeit als einen Sinus-Verlauf in eine gleichgerichtete Spannung. Das vorgeschlagene Prinzip kann daher auch als DC/DC-Wandler zur Abwärtswandlung eingesetzt werden.
- – Da die aktiven Bauelemente gesteuert werden können, kann mit denselben Bauelementen die gleichgerichtete Spannung und/oder der durch den Ausgangsanschluss fließende Strom begrenzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit Schaltungsteile in Bauelementen und ihrer Funktion übereinstimmen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
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1A und 1B zeigen eine übliche Schaltungsanordnung.
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2A bis 2C zeigen Schaltungsanordnungen nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
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3A bis 3D zeigen Weiterbildungen der Schaltungsanordnungen der 2A bis 2B gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip.
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4A und 4B zeigen beispielhafte Weiterbildungen der Schaltungsanordnung gemäß 3B nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
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5 zeigt eine beispielhafte Weiterbildung für einen ersten Transistor, der in den 2A, 2B und 3A bis 4B eingesetzt sein kann.
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1A bis 1B zeigen übliche Schaltungsanordnungen zur Konversion einer Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung. Da die 1A bis 1B bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert sind, wird hier auf eine Wiederholung der Figurenbeschreibung verzichtet.
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2A zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung zum Konvertieren einer Wechselspannung U-IN in eine gleichgerichtete Spannung U-OUT. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Transistor 40 auf, der mit seinem ersten Anschluss 41 mit dem Eingangsanschluss 1 der Schaltungsanordnung verbunden ist. Der erste Transistor 40 ist an seinem zweiten Anschluss 42 mit einem Ausgangsanschluss 5 der Schaltungsanordnung gekoppelt. Einer Steuerungsschaltung 20 werden an ihrem ersten und zweiten Eingang 21, 22 eine Spannung an dem ersten beziehungsweise zweiten Anschluss 41, 42 des ersten Transistors 40 zugeführt. An einem vierten Eingang 24 der Steuerungsschaltung kann ein Einstellsignal zugeführt werden. Dieses Einstellsignal kann beispielsweise einen Vorgabewert für die gleichgerichtete Spannung U-OUT oder einen oberen Grenzwert für einen durch den Ausgangsanschluss 5 fließenden Strom umfassen. Die Steuerungsschaltung 20 ist ausgelegt, an ihrem ersten Ausgang 26 ein Steuersignal U-S1 an einen Steueranschluss 43 des ersten Transistors 40 abzugeben.
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Eine an dem Ausgangsanschluss 5 angeschlossene elektrische Last 7 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen Kondensator 9 oder eine aufladbare Batterie 10. An dem Eingangsanschluss 1 der Schaltungsanordnung liegt in der gezeigten Ausführungsform ein sekundärseitiger Anschluss eines Transformators 4. Die Steuerungsschaltung 20 ist ausgelegt, mittels des Steuersignals U-S1 den ersten Transistor 40 nur dann in Durchlass zu schalten, wenn die Spannung an dem ersten Anschluss 41 größer als die Spannung an dem zweiten Anschluss 42 des ersten Transistors 40 ist.
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In einer Weiterbildung ist ein erster Widerstand 3 zwischen dem zweiten Anschluss 42 des ersten Transistors 40 und dem Ausgangsanschluss 5 geschaltet. Der Ausgangsanschluss 5 wird mit einem dritten Eingang 23 der Steuerungsschaltung 20 verbunden. Somit kann mit Vorteil in dieser Weiterbildung der Strom durch den ersten Transistor 40 mithilfe des ersten Widerstandes 3 bestimmt werden. Mit dieser Information wird das erste Steuersignal U-S1 so eingestellt, dass der Strom durch den ersten Widerstand 3 einen einstellbaren Grenzwert nicht überschreitet.
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Die Schaltungsanordnung gemäß 2A ist somit in der Lage, eine gleichgerichtete Spannung U-OUT aus einer Wechselspannung U-IN zu erzeugen, ohne dass der Wert der gleichgerichteten Spannung U-OUT um die Knickspannung einer Diode kleiner als der Scheitelwert der Wechselspannung U-IN ist.
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Mit Vorteil kann somit ohne weitere Bauelemente im Leistungspfad die gleichgerichtete Spannung U-OUT und/oder der durch den Ausgang 5 fließende Strom begrenzt werden.
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2B zeigt als Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 2A einen Aufbau der Steuerungsschaltung 20. Die Steuerungsschaltung 20 umfasst einen ersten Komparator 32, eine erste Zelle 30 und eine Steuerzelle 38. Mittels des ersten Komparators 32 wird die Spannung an dem ersten Anschluss 41 des ersten Transistors 40 und die Spannung an dem zweiten Anschluss 42 des ersten Transistors 40 verglichen. Ein Ausgangssignal des ersten Komparators 32 wird einem Eingang der ersten Zelle 30 zugeführt.
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Die Steuerzelle 38 ist ausgelegt, an ihrem Ausgang 39 ein zweites Steuersignal U-S2 abzugeben, welches einem zweiten Eingang der ersten Zelle 30 zugeführt ist. Die erste Zelle 30 kann als ein Schalter ausgebildet sein, der von dem Ausgangssignal des ersten Komparators 32 gesteuert wird und das an dem Ausgang 39 der Steuerzelle 38 anliegende zweite Steuersignal U-S2 an den ersten Ausgang 26 der Schaltungsanordnung 20 abgibt. Somit kann in Abhängigkeit der Spannungen an dem ersten beziehungsweise zweiten Anschluss 41, 42 des ersten Transistors 40 das zweite Steuersignal U-S2 zu dem ersten Transistor 40 zum Einstellen des aktiven Betriebszustandes durchgeschaltet werden oder zum Einstellen des inaktiven Betriebszustandes nicht durchgeschaltet werden. Im inaktiven Betriebszustand zeigt die gesteuerte Strecke zwischen erstem und zweiten Anschluss 41, 42 des ersten Transistors 40 keine oder eine geringe Leitfähigkeit. Im aktiven Betriebszustand ist der erste Transistor 40 in Durchlass geschaltet.
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In einer nicht gezeigten Weiterbildung kann die erste Zelle 30 eine Impedanz umfassen, die den Ausgang der ersten Zelle 30 mit einer einstellbaren Spannung verbindet. Damit wird erreicht, dass der Steueranschluss 43 des ersten Transistors im Falle eines offenen Schalters in der ersten Zelle 30 nicht floated, sondern ein definiertes Potential aufweist. Damit wird erreicht, dass der erste Transistor 40 als offener Schalter wirkt und nicht in einem undefinierten Zustand ist, wenn er sich in dem inaktiven Betriebszustand befindet.
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In einer nicht gezeigten, anderen Ausführungsform kann die Steuerzelle 38 ausgelegt sein, an einem weiteren Ausgang ein weiteres Steuersignal abzugeben, das einem dritten Eingang der ersten Zelle 30 zugeleitet ist. Die erste Zelle 30 kann einen Umschalter umfassen, dessen Stellung vom Ausgang des ersten Komparators 32 abhängt und der zwischen den beiden Steuersignalen umschaltet. Somit können mit Vorteil zwei von Null verschiedene Spannungen als erstes Steuersignal U-S1 dem ersten Transistor 40 zugeführt sein, wobei eine der zwei Spannungen für das Einstellen des ersten Transistors 40 in einen aktiven Betriebszustand und eine weitere Spannung für das Einstellen des ersten Transistors 40 in einen inaktiven Betriebszustand ausgelegt ist.
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Die Steuerzelle 38 ist ausgelegt dazu, einen Spannungsabfall für den ersten Widerstand 3 zu bestimmen. Aus dem Spannungsabfall über dem ersten Widerstand 3 kann der durch den ersten Transistor 40 fließende Strom ermittelt werden. Die Steuerzelle 38 ist ausgelegt, an ihrem Ausgang 39 die zweite Steuerspannung U-S2 in der Höhe abzugeben, dass durch die Einstellung des ersten Transistors 40 ein oberer Grenzwert für den Strom, der durch den Ausgangsanschluss 5 und damit auch durch den Transistor 40 fließt, nicht überschritten wird. Es wird somit eine Einstellung des Durchlasswiderstandes des ersten Transistors 40 vorgenommen. Es ist ein Vorteil der Überwachung des Stromes, dass dadurch die aufzuladende Batterie oder eine andere elektrische Last vor einem zu großen Strom geschützt wird, die Auswirkungen eines Kurzschlusses in der elektrischen Last begrenzt werden und der erste Transistor 40 gegenüber einer Stromüberlastung gesichert wird.
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2C zeigt eine beispielhafte Weiterbildung von 2B.
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In 2C ist der erste Transistor 40 als ein Feldeffekt-Transistor ausgebildet. Ein Bulk-Anschluss 44 des ersten Transistors 40 ist mit dem ersten Anschluss 41 des ersten Transistors 40 oder mit dem zweiten Anschluss 42 des ersten Transistors 40 in Abhängigkeit von der Spannung am ersten Anschluss 41 und der Spannung am zweiten Anschluss 42 gekoppelt.
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Der Bulk-Anschluss 44 des ersten Transistors 40 ist gemäß 2C mit einem sechsten Ausgang 115 der Steuerungsschaltung 20 verbunden. Der sechste Ausgang 115 ist mittels eines ersten Schalters 112 mit dem ersten Eingang 21 der Steuerungsschaltung 20 und damit mit dem ersten Anschluss 41 des ersten Transistors 40 und mittels eines zweiten Schalters 113 mit dem zweiten Eingang 22 der Steuerungsschaltung 20 und damit mit dem zweiten Anschluss 42 des ersten Transistors 40 gekoppelt. Welcher der beiden Schalter 112, 113 geschlossen ist, kann mittels eines weiteren Komparators, der nicht gezeigt ist und dem die Spannungen am ersten und am zweiten Anschluss 41, 42 des ersten Transistors 40 zugeführt sind, festgestellt werden.
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Mit Vorteil können die Steuersignale für die beiden Schalter 112, 113 aus dem Signal am Ausgang des ersten Komparators 32 ermittelt werden.
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Ist der erste Transistor 40, wie in 2C gezeigt, als ein p-Kanal-Feldeffekt-Transistor ausgebildet, so wird bei positiven Signal am Ausgang des ersten Komparators 32 der erste Schalter 112 geschlossen und bei einem negativen Signal oder einem logischen Signal 0 der erste Schalter 112 geöffnet. Ein Inverter 114 ist zwischen dem Ausgang des ersten Komparators 32 und einem Steuereingang des zweiten Schalters 113 geschaltet, so dass bei positivem Signal am Ausgang des ersten Komparators 32 der zweite Schalter 113 geöffnet und bei einem negativen Signal oder einem logischen Signal 0 der zweite Schalter 113 geschlossen wird.
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Damit ist mit Vorteil der Bulk-Anschluss 44 des ersten Transistors 40 in der Ausbildung als ein p-Kanal-Feldeffekt-Transistor mit dem ersten Anschluss 41, falls dieser ein höheres Potential verglichen mit dem zweiten Anschluss 42 aufweist, und im anderen Fall mit dem zweiten Anschluss 42 verbunden. Der Bulk-Anschluss 44 des ersten Transistors 40 wird somit mit dem höheren Potential der beiden Potentiale am ersten beziehungsweise zweiten Anschluss 41, 42 des ersten Transistors 40 beaufschlagt. Die Dioden von dem Bulk-Anschluss zu dem ersten Anschluss 41 und von dem Bulk-Anschluss zu dem zweiten Anschluss 42 im p-Kanal-Feldeffekttransistor sind somit mit Vorteil in Sperrrichtung gepolt.
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3A zeigt eine beispielhafte Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 2A und weist zusätzlich einen zweiten Transistor 50 auf, der mit seinem ersten Anschluss 51 mit einem zweiten Eingangseinschluss 2 verbunden ist und mit seinem zweiten Anschluss 52 an den zweiten Anschluss 42 des ersten Transistors 40 angeschlossen ist. Der zweite Anschluss 42 des ersten Transistors 40 ist über den ersten Widerstand 3 mit dem Ausgangsanschluss 5 der Schaltungsanordnung verbunden.
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Ein Bulk-Anschluss 54 des zweiten Transistors 50 wird wie der Bulk-Anschluss 44 des ersten Transistors 40 angesteuert. Dazu kann in einer Ausführungsform eine Schaltung wie in 2C vorgesehen sein.
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Die Steuerungsschaltung 20 ist ausgelegt, an ihrem zweiten Ausgang 27 ein drittes Steuersignal U-S3 bereitzustellen, welches dem Steueranschluss 53 des zweiten Transistors 50 zugeführt ist. Der Steuerschaltung 20 wird an ihrem fünften Eingang 25 die an dem weiteren Eingangsanschluss 2 anliegende Spannung zugeführt, die auch an dem ersten Anschluss 51 des zweiten Transistors 50 anliegt. Somit ist das dritte Steuersignal U-S3 derart ausgelegt, dass der zweite Transistor 50 nur dann in Durchlass geschaltet ist, wenn die Spannung an dem ersten Anschluss 51 höher als die Spannung an dem zweiten Anschluss 52 des zweiten Transistors 50 ist. Im umgekehrten Fall ist das dritte Steuersignal U-S3 ausgelegt, den zweiten Transistor 50 in einen inaktiven Betriebszustand einzustellen. Somit kann mit Vorteil die Wechselspannung U-IN effektiver als mittels der Schaltungsanordnung in 2A ausgenützt werden.
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3B zeigt eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 3A. In 3B ist die Steuerungsschaltung 20 in ihren Details gezeigt. Die Steuerungsschaltung 20 ist in 3B in Analogie zur Steuerungsschaltung in 2B ausgeführt.
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Dem ersten Komparator 32 und einem zweiten Komparator 33 werden eingangsseitig die Spannungen an den ersten beziehungsweise zweiten Anschlüssen 41, 42, 51, 52 des ersten und des zweiten Transistors 40, 50 zugeführt. Das Signal an dem Ausgang des ersten Komparators 32 und einem Ausgang des zweiten Komparators 33 dient zur Einstellung eines Schalters oder eines Umschalters in der ersten Zelle 30 beziehungsweise einer zweiten Zelle 31. Somit werden mit Vorteil jeweils der erste und der zweite Transistor 40, 50 nur dann in Durchlass geschaltet, wenn ein Energiefluss vom Eingangsanschluss 1 beziehungsweise 2 zum Ausgangsanschluss 5 der Schaltungsanordnung möglich ist.
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Das Signal an dem Ausgang des ersten Komparators 32 kann zur Einstellung einer Spannung an dem Bulk-Anschluss 44 des ersten Transistors 40 und entsprechend kann das Signal an dem Ausgang des zweiten Komparators 33 zur Einstellung einer Spannung an dem Bulk-Anschluss 54 des zweiten Transistors 50 in einer nicht gezeigten Weiterbildung eingesetzt sein.
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Die Steuerzelle 38 gibt an ihrem Ausgang 39 das zweite Steuersignal U-S2 parallel an die erste und die zweite Zelle 30, 31. Das Steuersignal U-S2 ist so ausgelegt, dass der Strom durch den Widerstand 3 kleiner oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert für den Strom ist. Mit der Höhe der Spannung an den Steueranschlüssen 43, 53 des ersten und des zweiten Transistors 40, 50 ist mit Vorteil ein Durchlasswiderstand des ersten Transistors 40 und des zweiten Transistors 50 eingestellt. Dieser Durchlasswiderstand dient der Strombegrenzung durch den ersten und den zweiten Transistor 40, 50 und zur Begrenzung der Spannung, die an der angeschlossenen elektrischen Last 7 anliegt.
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3C zeigt eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 3A nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
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Zu dem ersten Transistor 40 ist in der Schaltungsanordnung gemäß 3C eine Serienschaltung parallel geschaltet, umfassend einen dritten Transistor 60 und einen zweiten Widerstand 17. Analog ist zum zweiten Transistor 50 eine Serienschaltung, umfassend einen vierten Transistor 70 und einen dritten Widerstand 18, parallel geschaltet.
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An den Steuereingängen des ersten Transistors 40 und des dritten Transistors 60 liegt das erste Steuersignal U-S1 an. Analog liegt an den Steueranschlüssen des zweiten und des vierten Transistors 50, 70 das dritte Steuersignal U-S3 an.
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Spannungsabgriffe an dem zweiten Widerstand 17 beziehungsweise dem dritten Widerstand 18 dienen zur Bestimmung eines Spannungsabfalls über dem zweiten Widerstand 17 beziehungsweise dem dritten Widerstand 18. Dazu ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Umschalter 100 vorgesehen, der zwischen einem Anschluss des zweiten Widerstandes 17 und einem Anschluss des dritten Widerstandes 18 umschaltet, so dass eine Spannung an einem der beiden Anschlüsse einem siebten Eingang 103 der Steuerungsschaltung 20 zugeführt ist. Der Umschalter 100 wird über ein Signal gesteuert, das die Steuerungsschaltung 20 an ihrem fünften Ausgang 99 bereithält. Die zur Bestimmung einer Spannungsdifferenz über dem zweiten beziehungsweise dritten Widerstand 17, 18 benötigte weitere Spannung ist über den zweiten Eingang 22 der Steuerungsschaltung 20 zugeleitet.
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Aus den Spannungswerten und den Widerstandswerten des zweiten und des dritten Widerstands 17, 18 kann auf den Stromfluss durch die Parallelschaltung aus dem erstem Transistor 40 beziehungsweise dem dritten Transistor 60 und dem zweiten Widerstand 17 geschlossen werden und die erste Steuerspannung U-S1 so eingestellt werden, dass der durch den Ausgangsanschluss 5 fließende Strom kleiner als der einstellbare Grenzwert ist. Ebenso kann analog auf den Stromfluss durch die Parallelschaltung, gebildet aus dem zweiten Transistor 50 und der Serienschaltung aus dem vierten Transistor 70 und dem dritten Widerstand 18, geschlossen werden.
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In der Schaltungsanordnung gemäß 3C ist im Vergleich zur 3B der erste Widerstand 3 nicht notwendig. Somit fließt mit Vorteil der Hauptteil des Stromes vom Eingangsanschluss 1 zum Ausgangsanschluss 5 in einer Halbwelle der Wechselspannung U-IN nur über ein Bauelement, nämlich den ersten Transistor 40 in einer Halbwelle und den zweiten Transistor 50 in der folgenden Halbwelle. Dies wiederholt sich periodisch. Mit Vorteil werden somit Energieverluste durch ohmsche Verluste im Hauptstromzweig beziehungsweise im ersten Widerstand 3 vermieden.
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3D zeigt eine andere Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß 3A beziehungsweise 3C.
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In 3D ist die Serienschaltung, umfassend den zweiten Widerstand 17 und den dritten Transistor 60 in vertauschter Weise mit dem ersten Transistor 40 parallel geschaltet. Während in der Schaltungsanordnung gemäß 3C der zweite Widerstand 17 mit einem seiner Anschlüsse mit dem Ausgangsanschluss 5 der Schaltungsanordnung verbunden ist, so ist in 3D der zweite Widerstand 17 an einem Anschluss mit dem Eingangsanschluss 1 der Schaltungsanordnung verbunden.
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Ein Spannungsabfall über dem zweiten Widerstand 17 beziehungsweise dem dritten Widerstand 18 wird der Steuerungsschaltung 20 zugeführt.
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In der in 3D gezeigten beispielhaften Ausführungsform wird der Spannungsabfall über den zweiten Widerstand 17 beziehungsweise den dritten Widerstand 18 mittels eines Umschalters 101 und eines weiteren Umschalters 102 der Steuerungsschaltung 20 zugeführt. Dazu stellt die Steuerungsschaltung 20 an ihrem fünften Ausgang 99 ein Steuersignal zum Einstellen des Umschalters 101 und des weiteren Umschalters 102 zur Verfügung.
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Die in den 3C und 3D gezeigten Weiterbildungen können auch auf die 2A bis 2C angewendet werden, um den Widerstand 3 zu ersetzen. Dazu ist wie in den 3C und 3D der dritte Transistor 60 mit in Serie geschaltetem zweiten Widerstand 17 parallel zu dem ersten Transistor 40 in den 2A bis 2C zu schalten.
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4A zeigt eine beispielhafte Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 3B.
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Eine Serienschaltung aus einer ersten und einer zweiten Diode 85, 95 ist zwischen den beiden Eingangsanschlüssen 1, 2 geschaltet. Dabei ist eine Kathode der ersten Diode 85 mit dem ersten Anschluss 41 des ersten Transistors 40 und eine Anode der ersten Diode 85 mit dem Bezugspotentialanschluss 8 verbunden. Eine Anode der zweiten Diode 95 ist ebenfalls mit dem Bezugspotentialanschluss 8 verbunden; eine Kathode der zweiten Diode 95 ist mit dem ersten Anschluss 51 des zweiten Transistors 50 verbunden. Bei einer pn-Diode ist die Kathode der n-dotierte Halbleiterbereich und die Anode der p-dotierte Halbleiterbereich.
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Ist die Spannung zwischen erstem Anschluss 41 des ersten Transistors 40 und Bezugspotentialanschluss 8 negativ, so fließt durch die erste Diode 85 ein Strom; ist diese Spannung positiv, so fließt kein Strom.
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Ist die Spannung zwischen erstem Anschluss 51 des zweiten Transistors 50 und Bezugspotentialanschluss 8 negativ, so fließt durch die zweite Diode 95 ein Strom; ist diese Spannung positiv, so fließt kein Strom.
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Damit kann mit Vorteil ein geringerer Brummspannungsanteil an der gleichgerichteten Spannung U-OUT verglichen mit dem Brummspannungsanteil in den Anordnungen in den 2A bis 2C erzielt werden.
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Auch Schaltungsteile aus den 3A, 3C und 3D sind mit der Serienschaltung aus der ersten und der zweiten Diode 85, 95 kombinierbar.
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4B zeigt eine weitere beispielhafte Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 3B.
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Zusätzlich umfasst die Schaltungsanordnung gemäß 4B einen fünften und einen sechsten Transistor 80, 90. Der fünfte Transistor 80 ist an seinem ersten Anschluss 81 mit dem Eingangsanschluss 1 der Schaltungsanordnung verbunden. Der sechste Transistor 90 ist an seinem ersten Anschluss 91 mit dem weiteren Eingangsanschluss 2 der Schaltungsanordnung verknüpft. Ein zweiter Anschluss 82 des fünften Transistors 80 ist mit einem zweiten Anschluss 92 des sechsten Transistors 90 verbunden. Der zweite Anschluss 82 des fünften Transistors 80 ist in der gezeigten Ausführungsform mit einem Bezugspotenzialanschluss 8 verknüpft.
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Die Steuersignale an einem Steuereingang 83 des fünften Transistors 80 und an einem Steuereingang 93 des sechsten Transistors 90 werden in der Schaltungsanordnung gemäß 4 mittels eines dritten und vierten Komparators 34, 35 und eines ersten und eines zweiten Digitalgatters 36, 37 erzeugt. Dazu ist der dritte Komparator 34 eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss 1 sowie einer Spannungsquelle 109 gekoppelt. Entsprechend ist der vierte Komparator 35 eingangsseitig mit dem weiteren Eingangsanschluss 2 der Schaltungsanordnung und der Spannungsquelle 109 verbunden. Die Ausgänge des ersten und des vierten Komparators 34, 35 sind mittels der Logikgatter 36, 37 an den Steueranschluss 83 des fünften Transistors 80 und an den Steueranschluss 93 des sechsten Transistors 90 angeschlossen.
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Das erste und das zweite Logikgatter 36, 37 kann gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform als ein erstes und zweites Oder-Gatter 36, 37 realisiert sein und ein RS-Flip-Flop bilden. Dabei ist ein Ausgang des ersten Komparators 34 mit einem Eingang des ersten Oder-Gatters 36 verbunden. Ein Ausgang des ersten Oder-Gatters 36 ist mit dem Steueranschluss 83 des fünften Transistors 80 und mit einem Eingang des zweiten Oder-Gatters 37 verbunden. Ein Ausgang des zweiten Komparators 35 ist mit einem weiteren Eingang des zweiten Oder-Gatters 37 verknüpft. Ein Ausgang des zweiten Oder-Gatters 37 ist mit dem Steueranschluss 93 des sechsten Transistors 90 und einem weiteren Eingang des ersten Oder-Gatters 36 gekoppelt.
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Anstelle der beiden Oder-Gatter 36, 37 kann auch ein RS-Flip-Flop, das NOR-Gattern umfasst oder das einzelne Transistoren anstelle kompletter Gatter umfasst, zwischen den beiden Komparatoren 34, 35 und den beiden Steueranschlüssen 83, 93 geschaltet sein.
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Somit kann mit Vorteil eine Wechselspannung U-IN in eine gleichgerichtete Spannung U-OUT konvertiert werden. Dies wird mit einer Schaltungsanordnung realisiert, die Anteile sowohl der positiven wie auch der negativen Halbwellen der Wechselspannung U-IN zum Erzeugen der gleichgerichteten Spannung U-OUT einsetzt.
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Die Schaltungsanordnung ist somit ausgelegt, effizient die Wechselspannung oder eine an ihrem Eingangsanschluss anliegende Spannung mit anderem Zeitverlauf zu wandeln.
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5 zeigt eine beispielhafte Weiterbildung für einen ersten Transistor 40, der in den 2A, 2B, 3A bis 4B eingesetzt sein kann. Entsprechend können auch der zweite bis sechste Transistor 50, 60, 70, 80, 90 in den 3A bis 4B weitergebildet sein.
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In der Weiterbildung wird anstelle des ersten Transistors 40 eine Serienschaltung aus einem siebten und einem achten Transistor 45, 46 gebildet. Die Steueranschlüsse der beiden Transistoren 45, 46 werden miteinander verbunden und erhalten dasselbe Signal. Sie bilden damit zusammen den Steueranschluss 43 des ersten Transistors. Ein Anschluss des siebten Transistors 45 bildet den ersten Anschluss des ersten Transistors 40. Ein Anschluss des achten Transistors 45 bildet den zweiten Anschluss des ersten Transistors 40.
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Ein Bulk-Anschluss und ein weiterer Anschluss des siebten Transistors 45 wird mit einem Bulk-Anschluss und einem weiteren Anschluss des achten Transistors 46 verbunden.
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Damit sind die Spannungen zwischen den Bulk-Anschlüssen der beiden Transistoren 45, 46 und den anderen Anschlüssen reduziert und das Risiko, dass eine Source-Bulk-Diode oder Drain-Bulk-Diode leitend wird, verringert.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- Eingangsanschluss
- 3
- erster Widerstand
- 4
- Transformator
- 5
- Ausgangsanschluss
- 7
- elektrische Last
- 8
- Bezugspotentialanschluss
- 9
- Kondensator
- 10
- Batterie
- 11, 12, 13, 14
- Diode
- 15
- Ladeschaltung
- 20
- Steuerungsschaltung
- 21
- erster Eingang
- 22
- zweiter Eingang
- 23
- dritter Eingang
- 24
- vierter Eingang
- 25
- fünfter Eingang
- 26
- erster Ausgang
- 27
- zweiter Ausgang
- 28
- dritter Ausgang
- 29
- vierter Ausgang
- 30
- erste Zelle
- 31
- zweite Zelle
- 32
- erster Komparator
- 33
- zweiter Komparator
- 34
- dritter Komparator
- 35
- vierter Komparator
- 36
- erstes Logikgatter
- 37
- zweites Logikgatter
- 38
- Steuerzelle
- 40
- erster Transistor
- 41
- erster Anschluss
- 42
- zweiter Anschluss
- 43
- Steueranschluss
- 44
- Bulk-Anschluss
- 45
- siebter Transistor
- 46
- achter Transistor
- 50
- zweiter Transistor
- 51
- erster Anschluss
- 52
- zweiter Anschluss
- 53
- Steueranschluss
- 54
- Bulk-Anschluss
- 60
- dritter Transistor
- 61
- erster Anschluss
- 62
- zweiter Anschluss
- 63
- Steueranschluss
- 70
- vierter Transistor
- 71
- erster Anschluss
- 72
- zweiter Anschluss
- 73
- Steueranschluss
- 80
- fünfter Transistor
- 81
- erster Anschluss
- 82
- zweiter Anschluss
- 83
- Steueranschluss
- 85
- erste Diode
- 90
- sechster Transistor
- 91
- erster Anschluss
- 92
- zweiter Anschluss
- 93
- Steueranschluss
- 95
- zweite Diode
- 99
- fünfter Ausgang
- 100, 101, 102
- Umschalter
- 103
- siebter Eingang
- 104
- achter Eingang
- 105
- neunter Eingang
- 109
- Spannungsquelle
- 110, 111
- Inverter
- 112
- erster Schalter
- 113
- zweiter Schalter
- 114
- Inverter
- 115
- sechster Ausgang
- 120
- Steuerungsschaltungsteil
- U-IN
- Wechselspannung
- U-OUT
- gleichgerichtete Spannung
- U-S1
- erstes Steuersignal
- U-S2
- zweites Steuersignal
- U-S3
- drittes Steuersignal
