DE102007026930B4

DE102007026930B4 - Endstufensystem

Info

Publication number: DE102007026930B4
Application number: DE200710026930
Authority: DE
Inventors: Thomas WÜRTZ; Michael Ressing; Hartmut Janocha
Original assignee: Universitaet des Saarlandes
Current assignee: Ressing Michael De; Wuertz Thomas De
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-06-13
Also published as: DE102007026930A1

Abstract

Endstufensystem, mit:
– wenigstens zwei Endstufen (1, 2, ..., n), die
– jeweils einen Endstufenausgang aufweisen, wobei die Endstufenausgänge parallel zu einander mit einem gemeinsamen, zur Verbindung mit einer Last (L_c) vorgesehenen Systemausgang des Endstufensystems verbunden sind, und
– jeweils einen ersten mit einem oberen Energieversorgungsniveau (U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n) verbundenen Endstufeneingang aufweisen, wobei die Energieversorgungsniveaus (U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n) unterschiedlich sind; und
– einer Steuereinrichtung, die derart ausgelegt ist, dass sie diejenige Endstufe zur Energieversorgung der Last (L_c) betreibt, bei der der Unterschied zwischen dem oberen Energieversorgungsniveau (U₁; U₁ + U₂, ...; U₁ + U₂ + ... + U_n) und einem aktuellen Energieaufnahmeniveau (I_L; U_L) der Last (L_c) am kleinsten ist; wobei
– die Steuereinrichtung für jede der wenigstens zwei Endstufen (1, 2, ..., n) eine zugeordnete erste...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Endstufensystem.
Hintergrund der Erfindung
Elektrische Lastimpedanzen mit einem überwiegendem Blindanteil, beispielsweise Festkörperaktoren auf Basis piezoelektrischer oder magnetorestriktiver Materialien und fluidische Aktoren auf Basis magnetorheologischer Fluide, stellen hohe Anforderungen bezüglich energetisch effizient arbeitender Verstärker.
Liefern analoge Endstufen (im folgenden auch Verstärker genannt) nach dem Stand der Technik hohe Signalqualität, d. h. geringe Störungen durch lineare und nichtlineare Verzerrungen oder unerwünschte Frequenzanteile im Eingangssignal, bei guter Dynamik und/oder Bandbreite, so sind diese gleichzeitig mit hohen Verlustleistungen behaftet: Einerseits muss die Energiequelle des Verstärkers so ausgelegt sein, dass sie auch für die Verstärkung von Eingangssignalen mit hohen Pegeln geeignet ist, um z. B. eine gesättigte Betriebsart oder Übersteuern zu vermeiden. Andererseits kann eine solche Auslegung bei Eingangssignalen mit geringem Pegel dazu führen, dass ein Großteil der verbrauchten Energie nicht am Ausgang zur Verfügung gestellt, sondern in Abwärme umgewandelt wird.
Damit weisen derartige Verstärker unter anderem bei Anwendungen, die hohen Wirkungsgrad erfordern und dort wo vorhandene Energie möglichst effizient genutzt werden soll, insbesondere bei mobilen Anwendungen erhebliche Nachteile auf. Einerseits müssen die damit verbundenen Systeme zur Energieversorgung entsprechend größer ausgelegt werden, andererseits erfordert die anfallende Abwärme entsprechende, gewichtsbehaftete Systeme (Kühler) zu ihrer Abführung.
Reine Schaltverstärker, wie z. B. Relais oder Leistungshalbleiter wie MOSFETS, werden als Schalter entweder rein leitend oder sperrend betrieben, sind also in der Lage, die Wärmeverluste, die beim Analogverstärker entstehen, zwar erheblich zu reduzieren, ihr Ausgangssignal ist jedoch von wesentlich schlechterer Qualität. Darüber hinaus verursachen Schaltverstärker aufgrund der Schaltvorgänge elektromagnetische Störfelder und weisen im Vergleich zu Analogverstärkern eine geringere Übertragungsbandbreite und eine durch die Schaltfrequenz verzögerte Reaktionszeit auf.
Durch dem Schaltverstärker nachgeschaltete Blindwerte zur Energiezwischenspeicherung oder Filter z. B. zur Signalglättung werden zusätzliche Verzögerungszeiten geschaffen, die den Schaltverstärker im Vergleich zu Analogverstärkern eher verlangsam. Für schnell ablaufende Steuerprozesse, wie beispielsweise bei der Verwendung von Piezoeinspritzanlagen bei Kraftfahrzeugen, sind sie daher nur unter Inkaufnahme der bezeichneten Nachteile geeignet.
Sogenannte Hybridverstärker, die Analog- und Schaltverstärker miteinander kombinieren, sind – ähnlich wie reine Schaltverstärker – in der Lage, die bei Analogverstärkern auftretenden Energieverluste zu einem großen Teil zu verhindern. Ihre Signaldynamik, Großsignal-Übertragungsbandbreite und EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit, engl. EMC) sind jedoch – ebenfalls wie beim Schaltverstärker – eher begrenzt.
Den besagten Verstärkern ist ferner der Nachteil gemein, dass sie für einen optimalen Betrieb jeweils anwendungsspezifisch dimensioniert und ausgelegt werden müssen.
DE 23 04 162 C3 , DE 29 04 231 A1 , DE 27 01 463 A1 und US 3,577,092 offenbaren ein Endstufensystem mit zwei Endstufen und einer Steuereinrichtung, die diejenige Endstufe zur Energieversorgung einer Last betreibt, bei der der Unterschied zwischen dem oberen Endstufenenergieversorgungsniveau und einem aktuellen Energieaufnahmeniveau der Last am kleinsten ist. Aus DE 23 04 162 C3 ist ferner bekannt, dass die Steuereinrichtung eine Einrichtung umfasst, um das aktuelle Energieaufnahmeniveau der Last zu ermitteln und dieses mit dem oberen Endstufenenergieversorgungsniveau zu vergleichen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Endstufensystem bereitzustellen, das die obigen Nachteile des Standes der Technik wenigstens verringert, insbesondere solche, die zu Energieverlusten in den Endstufen bzw. Leistungsverstärkern selbst führen können.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Zur Lösung der obigen Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein Endstufensystem gemäß Anspruch 1 bereit.
Das erfindungsgemäße Endstufensystem umfasst wenigstens zwei Endstufen, die jeweils einen Endstufenausgang aufweisen, wobei die Endstufenausgänge parallel zu einander mit einem gemeinsamen, zur Verbindung mit einer Last vorgesehenen Systemausgang des Endstufenssystems verbunden sind. Des weiteren haben die Endstufen jeweils einen ersten mit einem oberen Energieversorgungsniveau verbundenen Endstufeneingang, wobei die Energieversorgungsniveaus unterschiedlich sind.
Ferner ist eine Steuereinrichtung vorhanden, die derart ausgelegt ist, dass sie diejenige Endstufe zur Energieversorgung der mit dem Systemausgang verbundenen Last betreibt, bei der der Unterschied zwischen dem oberen Energieversorgungsniveau und einem aktuellen Energieaufnahmeniveau der Last am kleinsten ist.
Die Steuereinrichtung umfasst für jede der wenigstens zwei Endstufen eine zugeordnete erste Schaltungsanordnung, die ausgelegt ist, das aktuelle Energieaufnahmeniveau einer mit dem Systemausgang verbundenen Last zu ermitteln und mit dem oberen Energieversorgungsniveau der zugeordneten Endstufe zu vergleichen.
Die ersten Schaltungsanordnungen umfassen jeweils eine Einrichtung, die ausgelegt ist, ein erstes Ist-Signal zu erzeugen, das ein zur Energieversorgung einer mit dem Systemausgang verbundenen Last aktuelles Energieabgabeniveau der zugeordneten Endstufe angibt, wobei die ersten Schaltungsanordnungen jeweils ausgelegt sein können, ein erstes Vergleichssignal zu erzeugen, das ein Vergleichsergebnis eines Vergleichs des jeweiligen ersten Ist-Signals und eines ersten Soll-Signals angibt, das das aktuelle Energieaufnahmeniveau einer mit dem Systemausgang verbundenen Last angibt.
Die Endstufen können jeweils einen zweiten mit einem unteren Energieversorgungsniveau verbundenen Endstufeneingang aufweisen.
Die zweiten Endstufeneingänge können jeweils mit einem für das Endstufensystem gemeinsamen Referenzpotential verbunden sein. Solche Ausführungsformen ermöglichen eine separate Energieversorgung zum Betrieb der einzelnen Endstufen, wobei z. B. unabhängige parallel angeordnete Energiequellen (z. B. Spannungsquellen in Form von Batterien, Akkumulatoren, Generatoren etc.) verwendet werden können. Eine solche Ausführungsform ist in 4 veranschaulicht.
Alternativ kann der erste Endstufeneingang einer ersten Endstufe mit dem zweiten Endstufeneingang einer zweiten Endstufe verbunden sein. Solche Ausführungsformen ermöglichen kaskadierte, in Reihe geschaltete Energieversorgungen für die Endstufen, wobei z. B. eine einer ersten Endstufe zugeordnete Energiequelle gegebenenfalls auch zur Energieversorgung einer zweiten Endstufe dient. Derartige Ausführungsformen sind in 1, 2 und 5 veranschaulicht.
Dabei kann ferner der erste Endstufeneingang der ersten Endstufe mit einem für das Endstu fensystem gemeinsamen Referenzpotential verbunden sein. Solche Ausführungsformen sind in 1 und 2 veranschaulicht.
Alternativ kann der erste Endstufeneingang der zweiten Endstufe mit einem für das Endstufensystem gemeinsamen Referenzpotential verbunden sein. Eine solche Ausführungsform kann mit der Ausführungsform von 5 realisiert werden.
Des weiteren ist es bevorzugt, dass zwischen dem ersten Endstufeneingang und dem zweiten Endstufeneingang jeweils eine Energiequelle angeschlossen ist.
Die Energiequellen können Versorgungsspannungsquellen umfassen, die vorzugsweise gleiche Versorgungsspannungen liefern und/oder bezugspotentialfrei angeordnet sind.
Solche Ausführungsformen ermöglichen als "selbst organisierende" Anordnungen bezeichenbare Ausführungen ohne übergeordnete, zentrale Steuerung.
Die ersten Schaltungsanordnungen können jeweils wie folgt ausgelegt sein: Wenn das aktuelle Energieaufnahmeniveau einer mit dem Systemausgang verbundenen Last das obere Energieversorgungsniveau der zugeordneten Endstufe erreicht oder überschreitet, erzeugen sie ein dies angebendes erstes Steuersignal.
Das erste Steuersignal kann beispielsweise ein Signal sein, das angibt, ob die jeweilige Endstufe in der Lage ist, die Last mit der gewünschten/erforderlichen Energie zu versorgen oder nicht.
Vorzugsweise wird das erste Steuersignal an die Endstufe mit dem nächst höheren oberen Energieversorgungsniveau angelegt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen kann das erste Vergleichssignal dem obigen ersten Steuersignal entsprechen oder als Grundlage zur Erzeugung des ersten Steuersignals dienen.
Das erste Ist-Signal kann z. B. angeben, welchen Strom und/oder welche Spannung die jeweilige Endstufe der Last zur Verfügung stellt.
Das erste Soll-Signal kann z. B. angeben, welchen Strom und/oder welche Spannung die Last benötigt und/oder welcher Strom und/oder welche Spannung der Last zugeführt werden soll.
Vorzugsweise weist eine erste Endstufe einen Eingang auf, der zur Zuführung des ersten Soll- Signals vorgesehen ist, und weist eine zweite Endstufe einen Eingang auf, der zur Zuführung des ersten Vergleichssignals der ersten Endstufe vorgesehen ist. Solche Ausführungsformen ermöglichen eine parallele, kaskadierte Anordnung der Endstufen.
Ferner kann die Steuereinrichtung wenigstens eine Einrichtung umfassen, die ausgelegt ist, ein aktuelles Energierückführungsniveau von einer mit dem Systemausgang verbundenen Last an das Endstufensystem rückführbarer Energie zu ermitteln und jeweils mit den unteren Energieversorgungsniveaus der wenigstens zwei Endstufen zu vergleichen.
Solche Ausführungsformen können insbesondere bei Lasten vorteilhaft sein, die relativ hohe Blindleistungsanteile speichern, die zurückgespeist werden können.
Ein aktuelles Energierückführungsniveau kann z. B. angeben, wieviel Blindleistung zur Verfügung steht, die rückgespeist werden kann.
Bei bevorzugten Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung eine für die wenigstens zwei Endstufen zentrale Einrichtung sein.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung für jede der wenigstens zwei Endstufen eine zugeordnete zweite Schaltungsanordnung umfassen, die ausgelegt ist, das aktuelle Energierückführungsniveau zu ermitteln und mit dem unteren Energieversorgungsniveau der zugeordneten Endstufe zu vergleichen.
Die zweiten Schaltungsanordnungen können jeweils wie folgt ausgelegt sein: Wenn das aktuelle Energierückführungsniveau das untere Energieversorgungsniveau der zugeordneten Endstufe erreicht oder unterschreitet, erzeugen sie ein dies angebendes zweites Steuersignal.
Das zweite Steuersignal kann z. B. ein Signal sein, das angibt, ob die jeweilige Endstufe in der Lage ist, von der Last bereitgestellte Energie (z. B. in Form von Entladestrom und/oder Entladespannung) aufzunehmen und zurückzuführen.
Vorzugsweise wird das zweite Steuersignal an die Endstufe mit dem nächst niedrigeren unteren Energieversorgungsniveau angelegt.
Die zweiten Schaltungsanordnungen können jeweils eine Einrichtung umfassen, die ausgelegt ist, ein zweites Ist-Signal zu erzeugen, das ein aktuelles Energieaufnahmeniveau der zugeordneten Endstufe bei Aufnahme aktueller von einer mit dem Systemausgang verbundenen Last rückgeführter Energie angibt, wobei die zweiten Schaltungsanordnungen jeweils ausgelegt sein können, ein zweites Vergleichssignal zu erzeugen, das ein Vergleichsergebnis eines Vergleichs des jeweiligen zweiten Ist-Signals und eines zweiten Soll-Signals angibt, das das aktuelle Energierückführungsniveau angibt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen kann das zweite Vergleichssignal dem obigen zweiten Steuersignal entsprechen oder als Grundlage für dessen Erzeugung dienen.
Das zweite Ist-Signal kann z. B. angeben, welcher Strom und/oder welche Spannung in die jeweilige Endstufe rückgeführt wird.
Das zweite Soll-Signal kann z. B. angeben, welcher Strom und/oder welche Spannung von der Last zur Rückführung bereitgestellt wird.
Vorzugsweise weist eine zweite Endstufe einen Eingang auf, der zur Zuführung des zweiten Soll-Signals vorgesehen ist, und weist eine erste Endstufe einen Eingang auf, der zur Zuführung des zweiten Vergleichssignals der zweiten Endstufe vorgesehen ist.
Ferner kann eine Einrichtung vorhanden sein, die ausgelegt ist, selektiv einen der zweiten Endstufeneingänge mit einem für das Endstufensystem gemeinsamen Referenzpotential zu verbinden.
Die wenigstens zwei Endstufen können analoge Leistungsverstärker umfassen.
Die oberen Energieversorgungsniveaus können jeweils ein oberes Spannungspotential angeben.
Ein aktuelles Energieaufnahmeniveau einer mit dem Systemausgang verbundenen Last kann einen von der Last aktuell aufgenommenen Laststrom angeben.
Ein aktuelles Energieaufnahmeniveau einer mit dem Systemausgang verbundenen Last kann eine an der Last aktuell anliegende Lastspannung angeben.
Die unteren Energieversorgungsniveaus können jeweils ein unteres Spannungspotential angeben.
Das Energieabgabeniveau einer Endstufe kann einen von der Endstufe einer mit dem Systemausgang verbundenen Last zugeführten Strom angeben.
Ein aktuelles Energierückführungsniveau einer mit dem Systemausgang verbundenen Last kann einen von der Last aktuell abgegebenen Entladestrom angeben.
Ein aktuelles Energierückführungsniveau einer mit dem Systemausgang verbundenen Last kann eine an der Last aktuell anliegende Entladespannung angeben.
Ein aktuelles Energieaufnahmeniveau einer Endstufe kann einen aktuell von der Last rückgeführten und von der Endstufe aufgenommenen Entladestrom angeben.
Der Unterschied zwischen dem oberen Energieversorgungsniveau und dem unteren Energieversorgungsniveau für die wenigstens zwei Endstufen kann jeweils gleich groß sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformformen und den beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, welche zeigen
1 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;
2 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;
3 einen Auf- und Entladezyklus einer kapazitiven Last bei Verwendung einer Ausführungsform gemäß 2;
4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung; und
5 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 veranschaulicht den Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit gekoppelten (zueinander parallel geschalteten, kaskadiert angeordneten) Endstufen 1, 2, ..., n, die exemplarisch mit einer an einem Referenzpotential GND anliegenden, kapazitiven Last L_c verbunden sind.
Die Endstufen 1, 2, ..., n weisen jeweils einen ersten Endstufeneingang und einen zweiten Endstufeneingang auf zwischen denen eine Energieversorgung (z. B. Versorgungsspannungsquelle) 14, 24, ..., bzw. n4, angeschlossen ist.
Die einzelnen Versorgungsspannungsquellen 14, 24, ..., n4 sind derart miteinander verbunden, dass das obere Potential einer Spannungsquelle das untere Potential einer anderen bildet und lediglich das untere Potential der ersten Spannungsquelle 14 und das obere Potential der letzten Spannungsquelle n4 mit keiner anderen Spannungsquelle in Verbindung stehen. Das untere Spannungspotential der ersten Spannungsquelle 14 bildet bei diesen Ausführungsformen das Referenzpotential GND im System bzw. ist mit diesem verbunden. Gegenüber dem Referenzpotential GND an den einzelnen Endstufen 1, 2, ..., n anliegenden Potentialdifferenzen ergeben sich durch Addition der einzelnen Versorgungsspannungen.
Endstufe 1 integriert einen Leistungsstromverstärker mit unterlagerter Rückkopplung 11, dessen Eingang mit einem ersten Soll-Signal oder Führungssignal „soll +" in Form eines Steuerstroms beschaltet ist. Am Ausgang des Leistungsstromverstärkers 11 wird die Stromstärke I₁ gemessen, ein dieser entsprechendes Stromsignal als Istwert in einen ebenfalls zur Endstufe 1 gehörenden Fehlerverstärker 12 eingespeist und in dort mit dem Signal „soll +" verglichen.
Ist nun während des Betriebes eine am System angeschlossene Last L_c mit einem vorgegebenen Ladestrom zu versorgen, wird ein entsprechender Steuerstrom „soll +" in die erste Endstufe 1 eingespeist, der im Leistungsstromverstärker 11 entsprechend verstärkt wird, so dass an dessen Ausgang ein Strom I₁ erzeugt wird, der die kapazitive Last L_c auflädt.
Der Stromkreis ist dabei ausgehend von der Spannungsquelle 14 über deren oberes Potentials, den Spannungsverstärker 11, Last L_c und die Masse geschlossen. Während des Aufladevorgangs steigt die an der Last L_c anliegende Spannung kontinuierlich, so dass bei konstanter Spannungsquelle der Ladestrom kontinuierlich abnimmt. Dieser Effekt wird jedoch durch die unterlagerte Rückkopplung des Leistungsstromverstärkers 11 bis zu einer gewissen an der Last L_c aufgebauten Spannung kompensiert, ab der der Leistungsstromverstärker 11 nicht mehr in der Lage ist, den durch den Steuerstrom definierten Sollwert des Ladestroms einzustellen. Dies geschieht zwangsläufig, wenn die an der kapazitiven Last L_c aufgebaute Spannung dem Spannungswert der Spannungsquelle 14 entsprechend nahe kommt.
Dann generiert der Fehlerverstärker 12 ein Fehlersignal entsprechend der Abweichung des Soll- vom Istwert des vorgegebenen Ladestroms und gibt dieses Signal als erstes Steuer- oder Vergleichssignal an die zweite Endstufe 2 weiter, deren Leistungsstromverstärker 21 nun einen seinem Steuer- oder Vergleichssignal entsprechenden Strom I₂ ausgibt. Dieser entspricht der Abweichung des Ausgangsstroms I₁ der ersten Endstufe 1 vom vorgegebenen Sollwert des Ladestroms, so dass sich letzter wiederum an der Last einstellt.
Erreicht die an der Last L_c anliegende Spannung den Wert U1, kommt der aus der ersten End stufe 1 resultierende Anteil des Ladestroms vollends zum Erliegen und Endstufe 2 übernimmt komplett die Stromversorgung der Last L_c. Ihr Stromkreis wird nun über die Spannungsquellen U1 + U2 über die Last und die Masse geschlossen. Diese arbeitet auf dem Spannungsniveau U1 + U2, das sich gegenüber dem Referenzpotential durch die in Serie geschalteten Spannungsquellen 14 und 24 ergibt.
Da alle Endstufen 1, 2, ..., n in ihrer Funktion identisch aufgebaut sind und sich lediglich in in den zugeschalteten Betriebsspannungsquellen gegen das Referenzpotential GND und gegebenenfalls der entsprechenden Auslegung ihrer Komponenten unterscheiden, setzt sich das Funktionsprinzip von der ersten Endstufe 1 bis zur letzten Endstufe n fort.
Dabei übernimmt stets die Endstufe mit dem niedrigsten geeigneten Betriebspotential (z. B. oberes Energieversorgungsniveau) die Energieversorgung der Last. Die auf höheren bzw. niedrigeren Niveaus arbeitenden Endstufen bleiben währenddessen inaktiv. Lediglich während des Übergangs von einer Endstufe zur nächsten sind kurzfristig zwei Endstufen aktiv.
Durch die „selbst organisierte" Auswahl der auf dem niedrigsten geeigneten Niveau arbeitenden Endstufe ist es bei dem in 1 dargestellten System möglich, Energie weitgehend verlustarm, d. h. bei geringer Abwärme, in die Last zu übertragen. Prinzipiell wird das System um so effizienter, je mehr Endstufen mit entsprechenden Abstufungen der Betriebsspannungsniveaus vorhanden sind.
2 veranschaulicht schematisch eine weitere Ausführungsform, bei der die Endstufen 1, 2, n zusätzlich Energie von der Last in die Spannungsquellen U₁, U₂, ... U_n zurückführen können. Ein derartiges System ist insbesondere für den Betrieb von Lasten mit hohem kapazitivem Anteil, wie beispielsweise Piezoaktoren, vorteilhaft.
Das dargestellte System ist analog zu dem in Zusammenhang 1 beschriebenen System aus mehreren Endstufen 1, 2, ..., n aufgebaut und an ein identisches System von Versorgungsspannungsquellen 14, 24, ..., n4 angeschlossen. Die hier verwendeten Leistungsstromverstärker mit unterlagerter Rückkopplung 110, 210, ..., n10 unterscheiden sich jedoch von den zuvor beschriebenen dahingehend, dass sie zwei Eingänge, einen nicht-invertierenden und einen invertierenden besitzen. Wird der nicht-invertierende Eingang mit einem positiven Stromsignal belegt, so wird dieses verstärkt und am Ausgang entsteht ein positiver Strom I_L, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei Belegung des invertierenden Eingangs hingegen entsteht ein entgegengerichteter Strom I_L am Ausgang.
Während des Aufladevorganges einer angeschlossenen Last L_c funktioniert das dargestellte System in gleicher Weise wie das System in 1, wobei jedoch das Soll-Signal „soll +" für den Aufladevorgang und die von den Fehlerverstärkern 12, 22, ..., n2 an die nächsten Stufen weitergeleiteten Fehlersignale jeweils an den nichtinvertierenden Eingängen der Leistungsstromverstärker 110, 210, ..., n10 angeschlossen sind, um positiv gerichtete Ladeströme I_L in Richtung der Last L_c zu gewährleisten.
Zum Entladen bzw. zum negativen Aufladen der Last L_c wird nun ein zweites Soll-Signal „soll –" in die Endstufenkette, also an der letzten Endstufe n und dort in den invertierenden Eingang des Leistungsverstärkers n10, eingespeist. Ist die an der Last L_c anliegende Spannung U_L gegenüber dem Referenzpotential GND größer als das untere Spannungspotential der Spannungsquelle n4 gegenüber dem Referenzpotential, so fließt ein negativ gerichteter Entladestrom I_L von der Last L_c über den Leistungsstromverstärker n1 in das untere Spannungspotential der Spannungsquelle n4. Dabei ist der Stromkreis über Referenzpotential GND und die Spannungsquellen der darunter liegenden Endstufen geschlossen.
Ein zusätzlicher Fehlerverstärker n3 vergleicht dabei ein der Stromstärke am Endstufenausgang entsprechendes Messsignal mit dem Soll-Signal „soll –" und generiert einen Fehler, wenn die Endstufe n dem Soll-Signal „soll –" nicht mehr folgen kann. In diesem Fall ist der durch das Soll-Signal „soll –" vorgegebene Entladestrom größer als der Stromwert, der sich am Ausgang des Leistungsstromverstärkers n1 einstellt.
Der vom Fehlerverstärker n3 generierte Fehler wird dann seinerseits als Sollsignal an die darunter liegende Endstufe weitergeleitet, die dann ebenfalls Energie aus der Last L_c in das untere Spannungspotential ihrer Betriebsspannungsquelle transferiert und dafür sorgt, dass der sich an der Last einstellende Entladestrom dem Sollwert entspricht.
In Analogie zum Aufladevorgang sind auch beim Entladevorgang während des Übergangs von einer Endstufe zur nächsten kurzzeitig zwei Endstufen aktiv. Sobald die an der Last L_c anliegende Spannung den Wert des unteren Spannungspotentials einer Endstufe unterschreitet, fließt der Entladestrom jedoch allein über die nächste, darunter liegende Endstufe.
3 zeigt schematisch beispielhaft den Auf- und Entladezyklus einer kapazitiven Last, die an einem erfindungsgemäßen System aus 5 Endstufen angeschlossen ist und mit konstantem Strom be- bzw. entladen wird. Dabei stellt das linke Diagramm die an der kapazitiven Last anliegende Spannung, das rechte Diagramm die Lade- bzw. Entladeströme durch die einzelnen Stufen als Funktion der Zeit dar.
Der Verlauf des Stromes in den einzelnen Endstufen zeigt dabei ein trapezförmiges Zeitprofil mit stark ansteigenden bzw. stark abfallenden Flanken bei der Aktivierung bzw. Abschaltung der entsprechenden Stufen. Dabei überlappen die Flanken jeweils zweier Endstufen. Hierin kommt die Übergangszeit zum Ausdruck, während der beide Endstufen kurzzeitig aktiv sind.
4 zeigt schemtisch mehrere kaskadierte Endstufen 1, 2, ..., n, die mit Steuerleitungen verbunden sind. Die Versorgungsspannungsquellen U₁, U₂, ... U_n sind jeweils direkt mit einem gemeinsamen Referenzpotential verbunden sowie jeweils nur mit einem Verstärker, wobei U_n > U₂ > U₁ sein soll.
Das dargestellte System ist analog zu dem in Zusammenhang 1 beschriebenen System aus mehreren Endstufen 1, 2, ..., n aufgebaut.
5 zeigt eine erfindungsgemäß bevorzugte dritte Ausführungsform. Je ein Verstärker wird von einer Potentialdifferenz U_b gespeist.
Ein auf analoger Schaltungstechnik basierender Lösungsansatz für die Annäherung der Betriebsspannung an den Verlauf von u_A(t) – sowohl beim Aufladen als auch beim Entladen einer Last (beispielsweise in Form eines Piezoaktors) – ist in 5 dargestellt.
Der Betriebsspannungsbereich zwischen U_B+ und U_B_ wird durch die Serienschaltung mehrerer bezugspotentialfreier Netzteile in N gleiche Teilspannungen U_b aufgeteilt, so dass gilt:
Diese Schaltungstopologie ermöglicht es, beim Auf- bzw. Entladen des Aktors die Energie aus genau demjenigen Versorgungsspannungsniveau mit UB,i = UB_ + iUb, i = 0 ... N,zu entnehmen bzw. dahin zurückzuspeisen, welches die geringste Spannungsdifferenz zur aktuellen Aktorspannung u_A(t) aufweist. Somit geht beim Entladen des Aktors die darin gespeicherte Blindenergie nicht komplett verloren, sondern wird in das im Bezug zur Aktorspannung u_A(t) nächst tiefer gelegene Versorgungsspannungsniveau U_B,i zurückgespeist.
Der Energietransfer erfolgt durch N konventionelle Gegentaktendstufen, deren Ausgänge pa rallel an die Last geschaltet sind. Somit summieren sich die Ausgangsströme i_A,i(t) der einzelnen Stufen zum Laststrom
Durch die zuvor beschriebene Strategie zur bedarfsabhängigen Ansteuerung der einzelnen Endstufen nacheinander kann erreicht werden, dass in Abhängigkeit von der momentanen Lastspannung u_A(t) nur diejenige Endstufe arbeitet, welche die Verluste beim Auf- und Entladen der Last minimiert. Da die Versorgungsspannung jeder Endstufe um den Faktor N kleiner ist als die Versorgungsspannung eines konventionellen Analogverstärkers, wird hierdurch die Gesamtverlustleistung im dynamischen Betrieb theoretisch um den Faktor N reduziert.
Neben der verbesserten energetischen Effizienz weist die beschriebene Verstärkertopologie einen weiteren inhärenten Vorteil auf.
Durch die Verwendung bezugspotentialfreier Netzteile kann jedes der Spannungspotentiale U_B,i, wie in 5 angedeutet, als Referenzpotential (GND) festgelegt werden; hierdurch lässt sich der Ausgangsspannungsbereich des Verstärkers durch Umschalten des Referenzpotentials von –NU_b ... GND bis GND ... + NU_b variieren.
Innerhalb des Arbeitsbereiches einer Endstufe, festgelegt durch das obere und untere Versorgungsspannungsniveau U_B,i und U_B,i-1, ist die Arbeitsweise des vorgestellten Verstärkers mit der eines konventionellen Analogverstärkers vergleichbar. Über- oder unterschreitet die Aktorspannung u_A(t) den Arbeitsbereich einer Stufe, kann zugunsten einer hohen Signalgüte eine möglichst verzerrungsarme Stromübernahme von der aktuell arbeitenden zur nächsten Stufe sichergestellt werden. Der Übernahmebereich, in dem jeweils zwei Endstufen Strom führen, wird hinsichtlich der Energieeffizienz so schmal wie möglich gewählt. In der Praxis ergibt sich jedoch in Abhängigkeit vom Laststrom i_A(t) eine Untergrenze durch die minimale Betriebsspannung der Leistungshalbleiter und den Spannungsabfall an anderen Schaltungskomponenten im Strompfad, die zugunsten der Übersichtlichkeit in 5 nicht dargestellt sind.
Dadurch wird auch der minimale Wert der Teilspannung U_b und somit die maximale Anzahl N der Teilspannungen bei vorgegebenem Betriebsspannungsbereich U_B festgelegt.
Zwei prinzipiell verschiedene Konzepte zur Ansteuerung der einzelnen Endstufen sind denkbar. Zum einen kann die Aktivierung der einzelnen Endstufen zentral durch den Regler erfolgen, der die Lastspannung u_A(t) dem gewünschten Sollwertverlauf nachführt. Dazu muss der analo ge Regler schaltungstechnisch erweitert und an die Anzahl N der Endstufen angepasst werden. Zum anderen kann die Aktivierung der Endstufen dezentral erfolgen. In diesem Fall bilden alle Teilstufen zusammen eine funktionelle Einheit, die vom Lastspannungsregler wie eine einzelne, konventionelle Gegentaktendstufe angesteuert wird. Im Vergleich zur zentralen Ansteuerung verlagert sich der prinzipiell höhere Schaltungsaufwand für die Ansteuerung mehrerer Endstufen vom Regler in die einzelnen Endstufen, da diese – um eine funktionelle Einheit bilden zu können – eine größere Schaltungskomplexität aufweisen.

Claims

Endstufensystem, mit: – wenigstens zwei Endstufen (1, 2, ..., n), die – jeweils einen Endstufenausgang aufweisen, wobei die Endstufenausgänge parallel zu einander mit einem gemeinsamen, zur Verbindung mit einer Last (L_c) vorgesehenen Systemausgang des Endstufensystems verbunden sind, und – jeweils einen ersten mit einem oberen Energieversorgungsniveau (U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n) verbundenen Endstufeneingang aufweisen, wobei die Energieversorgungsniveaus (U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n) unterschiedlich sind; und – einer Steuereinrichtung, die derart ausgelegt ist, dass sie diejenige Endstufe zur Energieversorgung der Last (L_c) betreibt, bei der der Unterschied zwischen dem oberen Energieversorgungsniveau (U₁; U₁ + U₂, ...; U₁ + U₂ + ... + U_n) und einem aktuellen Energieaufnahmeniveau (I_L; U_L) der Last (L_c) am kleinsten ist; wobei – die Steuereinrichtung für jede der wenigstens zwei Endstufen (1, 2, ..., n) eine zugeordnete erste Schaltungsanordnung umfasst, die ausgelegt ist: – zur Ermittlung des aktuellen Energieaufnahmeniveaus (I_L; U_L) der Last (L_c); und – zum Vergleich des aktuellen Energieaufnahmeniveaus (I_L; U_L) mit dem oberen Energieversorgungsniveau (U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n) der zugeordneten Endstufe; dadurch gekennzeichnet, dass – die ersten Schaltungsanordnungen jeweils eine Einrichtung umfassen, die ausgelegt ist: – zur Erzeugung eines ersten Ist-Signals, das ein zur Energieversorgung der Last (L_c) aktuelles Energieabgabeniveau (I₁; I₂; ...; I_n) der zugeordneten Endstufe angibt; und – die ersten Schaltungsanordnungen jeweils ausgelegt sind: – zur Erzeugung eines ersten Vergleichssignals, das ein Vergleichsergebnis eines Vergleichs des jeweiligen ersten Ist-Signals und eines ersten Soll-Signals (soll +) angibt, wobei das Letztere das aktuelle Energieaufnahmeniveau (I_L; U_L) der Last (L_c) angibt.
Endstufensystem nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens zwei Endstufen (1, 2, ..., n) jeweils einen zweiten mit einem unteren. Energieversorgungsniveau (GND; U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n-1) verbundenen Endstufeneingang aufweisen.
Endstufensystem nach Anspruch 2, bei dem die zweiten Endstufeneingänge jeweils mit einem für das Endstufensystem gemeinsamen Referenzpotential (GND) verbunden sind.
Endstufensystem nach Anspruch 2, bei dem der erste Endstufeneingang einer ersten Endstufe mit dem zweiten Endstufeneingang einer zweiten Endstufe verbunden ist.
Endstufensystem nach Anspruch 4, bei dem der erste Endstufeneingang der ersten Endstufe mit einem für das Endstufensystem gemeinsamen Referenzpotential (GND) verbunden ist.
Endstufensystem nach Anspruch 4, bei dem der erste Endstufeneingang der zweiten Endstufe mit einem für das Endstufensystem gemeinsamen Referenzpotential (GND) verbunden ist.
Endstufensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem zwischen dem ersten Endstufeneingang und dem zweiten Endstufeneingang jeder Endstufe jeweils eine Energiequelle (U₁; U₂; ...; U_n) angeschlossen ist.
Endstufensystem nach Anspruch 7, bei dem die Energiequellen Versorgungsspannungsquellen umfassen, die vorzugsweise gleiche Versorgungsspannungen liefern.
Endstufensystem nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Energiequellen bezugspotentialfrei angeordnet sind.
Endstufensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die ersten Schaltungsanordnungen jeweils ausgelegt sind: – zur Erzeugung eines ersten Steuersignals, das angibt, dass das aktuelle Energieaufnahmeniveau (I_L; U_L) der Last (L_c) das obere Energieversorgungsniveau (U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n) der zugeordneten Endstufe erreicht oder überschreitet.
Endstufensystem nach Anspruch 10, bei dem das erste Steuersignal an die Endstufe mit dem nächst höheren oberen Energieversorgungsniveau angelegt wird.
Endstufensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine erste Endstufe einen Eingang aufweist, der zur Zuführung des ersten Soll-Signals (soll +) vorgesehen ist, und eine zweite Endstufe einen Eingang aufweist, der zur Zuführung des ersten Vergleichssignals der ersten Endstufe vorgesehen ist.
Endstufensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung wenigstens eine Einrichtung umfasst, die ausgelegt ist: – zur Ermittlung eines aktuellen Energierückführungsniveaus (I_L; U_L) von der Last (L_c) an das Endstufensystem rückführbarer Energie; und – zum Vergleich des aktuellen Energierückführungsniveaus (I_L; U_L) jeweils mit den unte ren Energieversorgungsniveaus (GND; U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n-1) der wenigstens zwei Endstufen (1, 2, ..., n).
Endstufensystem nach Anspruch 13, bei dem die Steuereinrichtung für jede der wenigstens zwei Endstufen (1, 2, ..., n) eine zugeordnete zweite Schaltungsanordnung umfasst, die ausgelegt ist: – zur Ermittlung des aktuellen Energierückführungsniveaus (I_L; U_L); und – zum Vergleich des aktuellen Energierückführungsniveaus (I_L; U_L) mit dem unteren Energieversorgungsniveau (GND; U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n-1) der zugeordneten Endstufe.
Endstufensystem nach Anspruch 14, bei dem die zweiten Schaltungsanordnungen jeweils ausgelegt sind: – zur Erzeugung eines zweiten Steuersignals, das angibt, dass das aktuelle Energierückführungsniveau (GND; U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n-1) das untere Energieversorgungsniveau (I_L; U_L) der zugeordneten Endstufe erreicht oder unterschreitet.
Endstufensystem nach Anspruch 15, bei dem das zweite Steuersignal an die Endstufe mit dem nächst niedrigeren unteren Energieversorgungsniveau angelegt wird.
Endstufensystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem – die zweiten Schaltungsanordnungen jeweils eine Einrichtung umfassen, die ausgelegt ist: – zur Erzeugung eines zweiten Ist-Signals, das ein aktuelles Energieaufnahmeniveau (I₁; I₂; ...; I_n) der zugeordneten Endstufe bei Aufnahme aktueller von der Last (L_c) rückgeführter Energie angibt; und – die zweiten Schaltungsanordnungen jeweils ausgelegt sind: – zur Erzeugung eines zweiten Vergleichssignals, das ein Vergleichsergebnis eines Vergleichs des jeweiligen zweiten Ist-Signals und eines zweiten Soll-Signals (soll –) angibt, wobei das Letztere das aktuelle Energierückführungsniveau (I_L; U_L) angibt.
Endstufensystem nach Anspruch 17, bei dem eine zweite Endstufe einen Eingang aufweist, der zur Zuführung des zweiten Soll-Signals (soll –) vorgesehen ist, und eine erste Endstufe einen Eingang aufweist, der zur Zuführung des zweiten Vergleichssignals der zweiten Endstufe vorgesehen ist.
Endstufensystem nach einem der vorherigen Ansprüche soweit von Anspruch 2 abhängig, mit einer Einrichtung, die ausgelegt ist: – zur selektiven Verbindung eines zweiten Endstufeneingangs mit einem für das Endstufensystem gemeinsamen Referenzpotential (GND).
Endstufensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die wenigstens zwei Endstufen analoge Leistungsverstärker (110; 210; ...; n10) umfassen.
Endstufensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die oberen Energieversorgungsniveaus (U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n) jeweils ein oberes Spannungspotential angeben.
Endstufensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem ein aktuelles Energieaufnahmeniveau der Last einen von der Last aktuell aufgenommenen Laststrom (I_L) angibt.
Endstufensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem ein aktuelles Energieaufnahmeniveau der Last eine an der Last aktuell anliegende Lastspannung (U_L) angibt.
Endstufensystem nach einem der vorherigen Ansprüche soweit von Anspruch 2 abhängig, bei dem die unteren Energieversorgungsniveaus (GND; U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n-1) jeweils ein unteres Spannungspotential angeben.
Endstufensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Energieabgabeniveau einer Endstufe einen von der Endstufe der Last (L_c) zugeführten Strom (I₁; I₂; ...; I_n) angibt.
Endstufensystem nach einem der vorherigen Ansprüche soweit von Anspruch 13 abhängig, bei dem ein aktuelles Energierückführungsniveau der Last einen von der Last aktuell abgegebenen Entladestrom (I_L) angibt, oder bei dem ein aktuelles Energierückführungsniveau der Last eine an der Last aktuell anliegende Entladespannung (U_L) angibt.
Endstufensystem nach einem der vorherigen Ansprüche soweit von Anspruch 17 abhängig, bei dem ein aktuelles Energieaufnahmeniveau einer Endstufe einen aktuell von der Last rückgeführten und von der Endstufe aufgenommenen Entladestrom (I₁; I₂; ...; I_n) angibt.
Endstufensystem nach einem der vorherigen Ansprüche soweit von Anspruch 2 abhängig, bei dem der Unterschied zwischen dem oberen Energieversorgungsniveau (U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n) und dem unteren Energieversorgungsniveau (GND; U₁; U₁ + U₂; ...; U₁ + U₂ + ... + U_n-1) für die wenigstens zwei Endstufen (1, 2, ..., n) jeweils gleich groß ist.