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Die
Erfindung betrifft einen Frequenzmodulationsschaltkreis zum Ansteuern
einer Nutzschaltung.
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Die
Regelung mancher Nutzschaltungen, wie z.B. von Resonanzwandlern,
erfolgt über
eine Frequenzmodulation der einen Schwingkreis anregenden Spannung.
Durch die Anregung des Schwingkreises kann Energie über dessen
Schwingkreiselemente, eine Resonanzinduktivität oder eine Resonanzkapazität, ausgekoppelt
werden. Ein Anwendungsbereich dieser leistungselektronischen Schaltungen
liegt im Bereich der drahtlosen Energieübertragung, dem induktiven
Kochen oder von Röntgengeneratoren.
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Die
Ansteuerung einer derartigen Schaltung erfolgt in der Praxis durch
Mikroprozessoren oder diskret aufgebaute Schaltungsanordnungen.
Beide Varianten ermöglichen
eine hohe Flexibilität
hinsichtlich der Ansteuerungsweise, sind jedoch mit dem Nachteil
behaftet, dass die Herstellung mit hohen Kosten verbunden ist, da
keine standardisierten Elemente zum Einsatz kommen, sondern eine
an den jeweiligen Einsatzzweck notwendige Anpassung vorgenommen
werden muss. Es wäre
deshalb wünschenswert,
wenn mittels Frequenzmodulation geregelte Nutzschaltungen unter
Verwendung eines standardisierten integrierten Bausteins geregelt
werden könnten.
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Standardisierte
Schaltkreise in Form von integrierten Bausteinen sind in Form von
handelsüblichen Pulsweitenmodulations
(PWM)-Steuerschaltkreisen bekannt, welche ein Ausgangssignal mit
einer festen Frequenz abgeben können,
die durch einen RC-Sägezahngenerator
des PWM-Steuerschaltkreises erzeugt wird. Der Einsatz von PWM-Steuerschaltkreisen
zum Ansteuern einer Nutzschaltung, bei der die Regelung der Nutz schaltung über eine
Frequenzmodulation erfolgt, ist nicht möglich.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Frequenzmodulationsschaltkreis
zum Ansteuern einer Nutzschaltung anzugeben, welcher eine Regelung
auf einfache und kostengünstige
Weise ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Frequenzmodulationsschaltkreis gelöst, der einen integrierten
Baustein aufweist, der einen Sägezahngenerator
zur Erzeugung eines Sägezahnsignals
einer festen Frequenz aufweist, die mit einem ersten und einem zweiten
Anschluss des integrierten Bausteins verbunden ist, wobei an dem
ersten Anschluss ein diskreter Widerstand und an dem zweiten Anschluss
ein diskreter Ladungsspeicher angeschlossen sind, durch deren Dimensionierung
die Steigung der steigenden und der fallenden Flanke des Sägezahnsignals
und damit die Frequenz auf einen bestimmten Wert festgelegt ist.
Weiter ist eine an dem zweiten Anschluss angeschlossene Stromquelle
vorgesehen, mit welcher durch das Bereitstellen eines Stromes die
Zeitdauer des Ladevorganges des Ladungsspeichers und damit die steigende
Flanke des Sägezahnsignals
einstellbar sind, wobei die Stromquelle von dem integrierten Baustein
unabhängig
gebildet ist.
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Die
Erfindung schlägt
somit vor, einen integrierten Baustein zu verwenden, welcher ein
Sägezahnsignal
einer festen Frequenz abgeben kann, mit einer zusätzlichen
Stromquelle zu beschalten, mit welcher die steigende Flanke des
Sägezahnsignals
beeinflusst werden kann. Der besondere Vorteil besteht darin, dass integrierte
Bausteine mit einem Sägezahngenerator
zur Erzeugung eines Sägezahnsignals
in einer großen Vielfalt
am Markt verfügbar
sind, welche gemäß der Erfindung
durch die Stromquelle beschaltbar sind. Im Ergebnis wird dadurch
ein Frequenzmodulationsschaltkreis bereitgestellt, welcher zum Ansteuern
einer Nutzschaltung geeignet ist, deren Regelung über Frequenzmodulation
erfolgt.
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Besonders
bevorzugt ist es dabei, wenn der integrierte Baustein durch einen
handelsüblichen
Pulsweitenmodulations (PWM)-Steuerschaltkreis gebildet ist. Diese
können
zu günstigen
Preisen von verschiedensten Herstellern in unterschiedlichen Konfigurationen
bezogen werden. Dadurch können
Frequenzmodulationsschaltkreise mit einer beliebigen Anzahl an Ausgängen bereitgestellt
werden, die beispielsweise entsprechend der Anzahl der zu steuernden
Schaltelemente der Nutzschaltung gewählt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist die Stromquelle aus diskreten Bauelementen gebildet. In einer
weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der von der Stromquelle erzeugte Strom geregelt
ist, wobei gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Frequenzmodulationsschaltkreis das zur
Regelung der Stromquelle erforderliche Regelsignal von der Nutzschaltung
erhält.
Dieses kann insbesondere von einer Last der Nutzschaltung gewinnbar
sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Nutzschaltung ein Resonanzwandler, dessen Schaltelement oder
-elemente durch den Frequenzmodulationsschaltkreis ansteuerbar sind.
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Die
Stromquelle kann prinzipiell in beliebiger Form ausgebildet sein.
Eine Variante sieht vor, dass die Stromquelle ein Halbleiterschaltelement
umfasst, dessen Laststrecke in Serie mit einem Widerstand zwischen einem
Versorgungspotentialanschluss und dem zweiten Anschluss des integrierten
Bausteins verschaltet ist; ein Mittelabgriff eines Spannungsteilers
mit dem Steueranschluss des Halbleiterschaltelements gekoppelt ist, wobei
der Spannungsteiler zwischen dem Versorgungspotentialanschluss und
einem Anschluss für
ein Regelsignal verschaltet ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Frequenzmodulationsschaltkreises zum
Ansteuern einer Nutzschaltung,
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2 eine
Darstellung, anhand der das Funktionsprinzip der Frequenzeinstellung
mit internen und externen Stromquellen anhand eines in PWM-Steuerschaltkreisen
verwendeten Oszillators dargestellt ist,
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3 den
Spannungsverlauf an einem externen Ladungsspeicher gemäß 2 und
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4 ein
Ausführungsbeispiel
einer möglichen
Realisierung einer Stromquelle.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung einen Frequenzmodulationsschaltkreis 1 mit
einem Ausgang zum Ansteuern einer Nutzschaltung 30 über einen
Eingang 25. Bei der Nutzschaltung 30 handelt es sich
beispielsweise um einen Resonanzwandler. Da der Aufbau von Resonanzwandlern
aus dem Stand der Technik hinlänglich
bekannt ist, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf eine
nähere
Beschreibung desselben verzichtet. Es sei lediglich darauf hingewiesen,
dass prinzipiell jede Art von Resonanzwandlern mit dem erfindungsgemäßen Frequenzmodulationsschaltkreis 1 ansteuerbar
ist. Dies kann unabhängig
davon erfolgen, wie viele Schaltelemente des Resonanzwandlers angesteuert
werden müssen.
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Der
erfindungsgemäße Frequenzmodulationsschaltkreis
umfasst einen integrierten Baustein 10. Bei diesem handelt
es sich um einen handelsüblichen
Pulsweitenmodulations (PWM)-Steuerschaltkreis.
Diese weisen einen Sägezahngenerator 11 auf,
der mit einem ersten Anschluss 12 und einem zweiten Anschluss 13 des
integrierten Bausteins 10 verbunden ist. An den ersten
Anschluss 12 ist ein Widerstand 14 (der üblicherweise
als Widerstand RT bezeichnet wird) angeschlossen. An den zweiten
Anschluss 13 ist ein Ladungsspeicher 15 ange schlossen,
welcher in der Praxis auch als Ladungsspeicher CT bezeichnet wird.
Der erste Anschluss 12 wird deshalb auch als RT-Anschluss
und der zweite Anschluss 13 als CT-Anschluss bezeichnet.
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Der
in 1 dargestellte Sägezahngenerator 11 entspricht
von seinem prinzipiellen Aufbau her den aus dem Stand der Technik
bekannten Sägezahngeneratoren
zum Erzeugen eines Ausgangssignals mit einer festen Frequenz. Der
Aufbau und die Funktionsweise des Sägezahngenerators 11 kann
beispielsweise dem Datenblatt zum PWM-Steuerschaltkreis UC 1825A
von Texas Instruments entnommen werden.
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Um
eine Frequenzmodulation an einem Ausgang 24 des integrierten
Bausteins 10 zu ermöglichen,
ist weiterhin eine Stromquelle 16 vorgesehen, die mit dem
Ladungsspeicher 15 und dem zweiten Anschluss 13 des
integrierten Bausteins 10 verbunden ist. Die Stromquelle 16 ist
von dem integrierten Baustein unabhängig und vorzugsweise aus diskreten
Bauelementen gebildet. Der von der Stromquelle 16 erzeugte
Strom, welcher den Ladevorgang des Ladungsspeichers 15 und
damit die Form des Sägezahnsignals
beeinflusst, ist abhängig
von einem von der Nutzschaltung 30 abgegebenen Regelsignal
Vreg, welches der Stromquelle 16 über einen Ausgangsanschluss 26 der
Nutzschaltung 30 zur Verfügung gestellt wird.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Prinzip besteht somit darin, die
Vorteile eines integrierten PWM-Steuerschaltkreises zu nutzen und
diesen durch eine zusätzliche,
externe Stromquelle zu steuern. Die Vorteile eines PWM-Steuerschaltkreises
bestehen darin, dass diese von vielen unterschiedlichen Herstellern als
standardisierte integrierte Bausteine kostengünstig beziehbar sind.
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Dieses
Prinzip wird nachfolgend in Verbindung mit der Beschreibung der 2 und 3 näher erläutert. 2 zeigt
die zur Modifizierung der Frequenz des Sägezahnsignals notwendigen Komponenten.
Dargestellt ist der Sägezahngenerator 11 aus
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1 mit
einer Stromquelle 32, einer Stromsenke 35, welche über ein
Schaltelement 34 mit einem Bezugspotential verbunden ist.
Der Verbindungsknoten zwischen der Stromquelle 32 und der
Stromsenke 35 ist mit dem zweiten Anschluss 13 gekoppelt.
An diesen sind der Ladungsspeicher 15 und die zusätzliche,
externe Stromquelle 16 angeschlossen. Eine Spannungsquelle 36 ist über den
ersten Anschluss 12 mit dem Widerstand 14 verbunden.
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Im
konventionellen Betrieb, das heißt beim Betrieb mit fester
Frequenz, wird der Ladungsspeicher 15 über die Stromquelle 32 mit
einem Strom IRT geladen. Das Schaltelement 34 ist
dabei geöffnet.
Der Ladungsspeicher 15 wird, ausgehend von einer Spannung
VCT = VCTV, mit dem Strom IRT =
IX so lange geladen, bis die Spannung VCT
einen Schwellwert VCTP (vergleiche 3)
erreicht hat. Bei Erreichen dieses Schwellwertes wird das Schaltelement 34 geschlossen,
so das der Ladungsspeicher 15 mit Hilfe der Stromsenke 35 mit dem
Strom Ient bis auf den Spannungswert VCTV entladen wird. Nach Erreichen des Schwellwertes
VCTV wird das Schaltelement 34 wieder
geöffnet,
so dass das Laden des Ladungsspeichers 15 von neuem beginnt.
Die Periodendauer T dieses Vorganges ist konstant. Entsprechend
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 findet der
Ladevorgang des Ladungsspeichers 15 über eine Zeitdauer t1 und der Entladevorgang über eine Zeitdauer t2 statt. Die Summe der Zeitdauern t1 und t2 bestimmt
die Periodendauer T eines einzelnen „Sägezahns".
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Durch
zusätzliches
Einspeisen eines Zusatzstromes IZ, welcher
von der externen Stromquelle 16 geliefert wird, kann die
Periodendauer T variiert werden. Der zusätzliche Strom IZ sorgt
für eine
schnellere Ladung des Ladungsspeichers 15 und damit für eine Verringerung
der Zeitdauer t1. Durch das Vorsehen der
externen Stromquelle 16 verändert sich auch die Zeitdauer
t2 des Entladevorganges geringfügig, was
für die
vorliegende Betrachtung jedoch nur von untergeordneter Bedeutung
ist. Der Vollständigkeit
halber sei erwähnt,
dass die Zeitdauer t2 et was länger wird.
Insgesamt nimmt die Periodendauer T durch das Einspeisen des Stroms
IZ ab, wodurch die Frequenz steigt.
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Durch
die Größe des Stromes
IZ kann die Periodendauer T und damit die
Frequenz eingestellt werden. Um eine Regelung zu ermöglichen,
wird die Höhe
des Stromes IZ durch das Regelsignal Vreg
(vgl. 1) gesteuert, welches aus einer Last der Nutzschaltung 30 erhalten
wird. Durch das Vorsehen der externen Stromquelle und die beschriebene
Beschaltung kann der normalerweise festfrequent arbeitende PWM-Steuerschaltkreis 10 auch
für eine
Frequenzmodulation eingesetzt werden.
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Die
Berechnung des Steuerstromes I
X in Abhängigkeit
von der Periodendauer T ist wie folgt:
wobei
T = t1 + t2 (2) -
Setzt
man Gleichung (1) in Gleichung (2) ein, ergibt sich:
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Das
Auflösen
der Gleichung (3) nach I
X führt auf
eine quadratische Gleichung:
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IX setzt sich aus dem Strom der zusätzlichen
Stromquelle IZ und der internen Stromquelle
IRT zusammen.
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Der
Ladestrom IX setzt sich damit aus dem Strom
der zusätzlichen
Stromquelle 16 und der internen Stromquelle 32 zusammen.
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Die
externe Stromquelle kann prinzipiell in beliebiger Weise aus diskreten
Bauelementen realisiert werden. 4 zeigt
ein mögliches
Ausführungsbeispiel
der zusätzlichen
Stromquelle 16. Diese umfasst ein Halbleiterschaltelement 17 in
Form eines Bipolar-Transistors. Der Kollektoranschluss des Bipolar-Transistors ist
mit dem zweiten Anschluss 13 des in der Figur nicht dargestellten
integrierten Bausteins 10 verbunden. Der Emitteranschluss
des Bipolar-Transistors 17 ist über einen Widerstand 18 mit
einem Versorgungspotentialanschluss 19 gekoppelt, an dem
eine Versorgungsspannung VCC anliegt. Die Basis des Bipolar-Transistors 17 ist
mit einem Mittelabgriff 22 eines Spannungsteilers, umfassend
Widerstände 20 und 21 verbunden.
Der andere Anschluss des Widerstandes 20 ist mit dem Versorgungspotentialanschluss 19 gekoppelt.
Der andere Anschluss des Widerstandes 21 ist mit einem
Anschluss für
ein Regelsignal, in Form einer Spannung Vreg gekoppelt.
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Die
Spannung Vreg stellt die variable Ausgangsspannung eines Reglers
der Nutzschaltung dar. Über die
Widerstände 20, 21 und
die Spannung Vreg sowie die Versorgungsspannung VCC wird der Strom
I2 eingestellt. Der Spannungsabfall V20 über
den Widerstand 20 erzwingt bei Vernachlässigung der Basis-Emitterspannung VBE und gleich großen Widerständen 18, 20 einen
Emitterstrom IE, der dem Strom I2 entspricht. Bei Vernachlässigung
des geringen Basisstromes IB gegenüber dem
Emitterstrom IE ist der Kollektorstrom gleich groß wie der
Emitterstrom IE. Dieser entspricht dem in
den Ladungsspeicher 15 zusätzlich eingespeisten spannungsunabhängigen Strom
IZ.
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Durch
das Vorsehen einer zusätzlichen,
externen Stromquelle kann jeder integrierte PWM-Steuerschaltkreis
beliebiger Hersteller für
die Ansteuerung von Resonanzwandlern verwendet werden. Dabei sind alle
in dem PWM-Steuerschaltkreis vorhandenen Zusatzfunktionen, wie z.B.
eine Unterspannungssperre, eine Überstromabschaltung
usw. weiter verwendbar und müssen
nicht durch eine diskret aufgebaute Schaltung realisiert werden.
Hierdurch lässt
sich auf einfache und kostengünstige Weise
ein Frequenzmodulationsschaltkreis bereitstellen, der weiterhin
gegenüber
einer diskreten Lösung
erheblich weniger Platz benötigt.
