DE102009023505A1 - Schaltungsanordnung für einen Piezotransformator und dazugehörendes Verfahren - Google Patents

Schaltungsanordnung für einen Piezotransformator und dazugehörendes Verfahren Download PDF

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Manfred Dr. Pauritsch
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Abstract

Eine Schaltungsanordnung (20) für einen Piezotransformator (22) umfasst einen Treiberschaltkreis (23), an den der Piezotransformator (22) anschließbar ist, und einen Stromsensor (21) zum Bestimmen eines Eingangsstromsignals (IM), das von einem durch den Piezotransformator (22) fließenden Eingangsstrom (IE) abhängig ist. Weiter umfasst die Schaltungsanordnung (20) eine Steuereinheit (24) zum Bereitstellen eines Steuersignals (ST) in Abhängigkeit vom Eingangsstromsignal (IM) und einen Oszillator (25) mit einem Oszillatorausgang (43) zum Abgeben eines Oszillatorsignals (SO) an einen Treibersignaleingang (44) des Treiberschaltkreises (23) in Abhängigkeit vom Steuersignal (ST).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Piezotransformator und ein Verfahren zum Ansteuern eines Piezotransformators.
  • Piezotransformatoren dienen zum Wandeln von Spannungen. Piezotransformatoren, englisch piezoelectric transformer oder piezotransformer bezeichnet, weisen eine Primärseite, der eine Spannung oder ein Strom zugeführt wird, sowie eine Sekundärseite auf, an der ein Strom beziehungsweise eine Spannung abgreifbar ist.
  • Dokument US 6,400,096 B1 beschreibt einen Steuerschaltkreis für einen Piezotransformator, der eine Spannung für eine fluoreszierende Lichtquelle bereitstellt. Zur Steuerung wird ein Signal auf der Sekundärseite des Piezotransformators und damit auf der Hochspannungsseite abgegriffen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung für einen Piezotransformator sowie ein Verfahren zum Ansteuern eines Piezotransformators bereitzustellen, bei dem eine Steuerung mit einer primärseitigen Größe durchgeführt wird.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 und dem Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • In einer Ausführungsform umfasst eine Schaltungsanordnung für einen Piezotransformator einen Treiberschaltkreis, einen Stromsensor, eine Steuereinheit und einen Oszillator. An den Treiberschaltkreis ist der Piezotransformator anschließbar. Ein Stromsensor ist zum Bestimmen eines Eingangsstromsignals vorgesehen. Das Eingangsstromsignal hängt von einem durch den Piezotransformator fließenden Eingangsstrom ab. Eine Steuereinheit ist dazu ausgelegt, ein Steuersignal in Abhängigkeit des Eingangsstromsignals bereitzustellen. An einem Oszillatorausgang des Oszillators wird ein Oszillatorsignal in Abhängigkeit des Steuersignals abgegeben. Der Treiberschaltkreis weist einen Treibersignaleingang auf. Dem Treibersignaleingang wird das Oszillatorsignal zugeleitet.
  • Mit Vorteil fließt der Eingangsstrom durch eine Primärseite des Piezotransformators, so dass der Stromsensor auf der Primärseite angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist der Stromsensor im Niedervoltbereich der Primärseite und nicht im Hochvoltbereich der Sekundärseite des Piezotransformators angeordnet. Das Eingangsstromsignal kann proportional zum Eingangsstrom sein.
  • In einer Ausführungsform versetzt eine primärseitige Spannung den Piezotransformator in mechanische Schwingungen. Auf der Sekundärseite des Piezotransformators werden die mechanischen Schwingungen in eine sekundärseitige Spannung umgesetzt. Der Piezotransformator kann eine Multi-Schicht Struktur, englisch multi-layer structure, aufweisen. Die Anzahl der Schichten kann das Übersetzungsverhältnis der sekundärseitigen Spannung zur primärseitigen Spannung bestimmen.
  • In einer Ausführungsform gibt die Steuereinheit das Steuersignal so ab, dass das Eingangsstromsignal kleiner oder gleich einem vorgegebenen Stromwert ist. Dadurch wird vermieden, dass die Belastung einer Versorgungsquelle für die Schaltungsanordnung zu hoch wird. Störungen und Einflüsse auf einen weiteren von der Versorgungsquelle versorgten Schaltungsblock können somit verringert werden.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung die Versorgungsquelle. Der Stromsensor kann zwischen der Versorgungsquelle und dem Treiberschaltkreis angeordnet sein. Alternativ kann der Stromsensor zwischen dem Treiberschaltkreis und dem Piezotransformator angeordnet sein. Wiederum alternativ kann der Stromsensor zwischen dem Piezotransformator und einem Bezugspotenzialanschluss oder zwischen dem Treiberschaltkreis und dem Bezugspotenzialanschluss angeordnet sein. Der Stromsensor kann in einer Leitung angeordnet sein, die zum ersten oder zum zweiten Primäranschluss führt.
  • Der Stromsensor kann ein Hall-Element umfassen. Das Hall-Element und eine Leitung, durch die der Eingangsstrom fließt, können derart zueinander angeordnet sein, dass der Eingangsstrom ein Magnetfeld erzeugt, welches vom Hall-Element gemessen werden kann. Das Eingangsstromsignal kann eine Hall-Spannung des Hall-Elementes sein. Mit Vorteil ist dadurch eine berührungslose Messung des Eingangsstroms ermöglicht.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist der Stromsensor als Stromtransformator ausgebildet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Stromsensor einen Messwiderstand. Der Messwiderstand kann in Serie zu der Primärseite des Piezotransformators geschaltet sein. Das Eingangsstromsignal kann eine über dem Messwiderstand abfallende Spannung sein. Mittels des Messwiderstands ist eine besonders einfache Bestimmung des Eingangsstromsignals möglich.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Treiberschaltkreis einen ersten Transistor sowie einen ersten Messtransistor. Eine Serienschaltung umfassend den ersten Messtransistor und den Messwiderstand ist parallel zum ersten Transistor geschaltet. Eine Treibersteuerung des Treiberschaltkreises kann ausgangsseitig mit einem Steueranschluss des ersten Transistors sowie einem Steueranschluss des ersten Messtransistors verbunden sein. Der Steueranschluss des ersten Transistors kann an den Steueranschluss des ersten Messtransistors direkt angeschlossen sein. Der erste Transistor verbindet den ersten Primäranschluss mit dem Bezugspotentialanschluss. Der erste Transistor und der erste Messtransistor sind von demselben Leitungstyp. Eine Stromtreiberfähigkeit des ersten Transistors ist um den Faktor n größer als eine Stromtreiberfähigkeit des ersten Messtransistors. Mit Vorteil kann der Hauptanteil des Eingangsstroms somit über den ersten Transistor und ein kleinerer Anteil des Eingangsstroms über den Messwiderstand und den ersten Messtransistor fließen. Der Spannungsabfall über den Messwiderstand dient als Eingangsstromsignal. Da der Faktor n und ein Widerstandswert RS1 des Messwiderstands bekannt ist, ergibt sich das Eingangsstromsignal näherungsweise gemäß folgender Gleichung: IM = IE·RS1n+1 ,wobei IM ein Wert des Eingangsstromsignals, IE ein Wert des Eingangsstroms und n der Faktor, um den die Stromtragefähigkeit des ersten Transistors größer als die Stromtragefähigkeit des ersten Messtransistors ist.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Steuereinheit einen Komparator mit einem ersten und einem zweiten Komparatoreingang sowie einem Komparatorausgang. Dem ersten Komparatoreingang wird das Eingangsstromsignal zugeleitet. Dem zweiten Komparatoreingang wird der vorgegebene Stromwert zugeführt. Der vorgegebene Stromwert und das Eingangsstromsignal können als Spannungen realisiert sein. Der Komparatorausgang ist mit einem ersten Steuerausgang der Steuereinheit gekoppelt. Mit Vorteil stellt der Komparator am Komparatorausgang ein Komparatorsignal mit einem ersten Wert bereit, wenn das Eingangsstromsignal kleiner oder gleich dem vorgegebenen Stromwert ist, und mit einem zweiten Wert bereit, wenn das Eingangsstromsignal größer als der vorgegebene Stromwert ist.
  • In einer Ausführungsform umfasst ein Spannungswandler die Schaltungsanordnung und den Piezotransformator. Der Piezotransformator ist an den Treiberschaltkreis angeschlossen. In einer Ausführungsform ist zwischen den Treiberschaltkreis und den ersten Primäranschluss oder zwischen den Treiberschaltkreis und den zweiten Primäranschluss eine Spule geschaltet. Mit Vorteil können die Spule und der Piezotransformator einen Schwingkreis bilden. Der Schwingkreis kann als Serienschwingkreis realisiert sein. Mittels des Schwingkreises kann die Energieausnützung beim Wandeln der Versorgungsspannung in die sekundärseitige Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Sekundäranschluss erhöht werden.
  • In einer Ausführungsform weist die Steuereinheit einen Spannungseingang auf, der mit dem ersten Sekundäranschluss des Piezotransformators gekoppelt ist. Die Steuereinheit kann das Steuersignal in Abhängigkeit eines Vergleichs eines Signals am Spannungseingang und eines vorgegebenen Spannungswerts abgeben. Das Signal am Spannungseingang kann eine Spannung, die an der Sekundärseite des Piezotransformators abgegriffen wird, insbesondere eine Ausgangsspannung, repräsentieren. Der vorgegebene Spannungswert kann ein Sollwert der sekundärseitig abgreifbaren Spannung sein. Mit Vorteil kann somit der Treiberschaltkreis inaktiv geschaltet werden, wenn die sekundärseitig abgreifbare Spannung größer als der vorgegebene Spannungswert ist.
  • Der Spannungswandler kann einen Ausgangskondensator aufweisen. Eine zweite Elektrode des Ausgangskondensators kann mit dem ersten Sekundäranschluss verbunden sein. Eine erste Elektrode des Ausgangskondensators kann mit dem zweiten Sekundäranschluss des Piezotransformators über eine erste Diode gekoppelt sein. Eine zweite Diode kann zwischen den ersten und den zweiten Sekundäranschluss geschaltet sein. Die Ausgangsspannung kann zwischen der ersten und der zweiten Elektrode des Ausgangskondensators anliegen. Der Spannungswandler kann ausgelegt sein, die Ausgangsspannung mit einem hohen Wert bereitzustellen. Die Ausgangsspannung kann größer 100 Volt sein. Bevorzugt kann die Ausgangsspannung größer 300 Volt sein.
  • In einer Ausführungsform umfasst eine Beleuchtungsanordnung den Spannungswandler und eine Lichtquelle. Die Lichtquelle ist mit dem Ausgangskondensator gekoppelt. Die Lichtquelle kann eine Xenonlichtquelle sein. Die Lichtquelle kann zum Aussenden eines Blitzes ausgelegt sein.
  • In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Ansteuern eines Piezotransformators, dass ein Eingangsstrom für den Piezotransformator bereitgestellt wird. Ein Eingangsstromsignal wird in Abhängigkeit des Eingangsstroms generiert. Ein Steuersignal wird in Abhängigkeit des Eingangsstromsignals bereitgestellt. Ein Oszillatorsignal wird in Abhängigkeit des Steuersignals generiert. Weiter wird der Piezotransformator in Abhängigkeit des Oszillatorsignals angesteuert.
  • Mit Vorteil wird somit der Piezotransformator in Abhängigkeit des Eingangsstroms gesteuert. Der Eingangsstrom kann durch eine Primärseite des Piezotransformators fließen. Bei der Steuerung der Anordnung wird somit die Höhe des Eingangsstroms berücksichtigt. Der Eingangsstrom kann einem ersten Primäranschluss des Piezotransformators zugeleitet werden. Mit Vorteil wird das Eingangsstromsignal auf der Primärseite des Piezotransformators erzeugt, so dass der Abgriff auf einem niedrigen Spannungspotenzial der Primärseite und nicht auf einem hohen Spannungspotenzial der Sekundärseite erfolgt.
  • In einer Ausführungsform wird das Steuersignal derart abgegeben, dass das Eingangsstromsignal kleiner oder gleich einem vorgegebenen Stromwert ist. Vorteilhafterweise kann eine Überlastung einer Versorgungsquelle, die den Eingangsstrom bereitstellt, vermieden werden. Mittels der Überwachung des Eingangsstroms kann eine thermische Belastung der Schaltungsanordnung verringert werden.
  • In einer Ausführungsform wird eine Frequenz des Oszillatorsignals derart eingestellt, dass das Eingangsstromsignal kleiner oder gleich dem vorgegebenen Stromwert ist. Alternativ wird das Tastverhältnis des Oszillatorsignals so gesteuert, dass das Eingangsstromsignal kleiner oder gleich dem vorgegebenen Stromwert ist. Wiederum alternativ werden die Frequenz und das Tastverhältnis des Oszillatorsignals derart eingestellt, dass das Eingangsstromsignal kleiner oder gleich dem vorgegebenen Stromwert ist. In einer Ausführungsform hän gen die Frequenz des Oszillatorsignals und/oder das Tastverhältnis des Oszillatorsignals vom Steuersignal ab.
  • In einer Weiterbildung wird der Abstand der Frequenz zu einer Resonanzfrequenz des Piezotransformators vergrößert, falls das Eingangsstromsignal größer als der vorgegebene Stromwert ist. Der Abstand der Frequenz zu der Resonanzfrequenz des Piezotransformators wird verringert, falls das Eingangsstromsignal kleiner als der vorgegebene Stromwert ist.
  • In einer Weiterbildung wird die Frequenz des Oszillatorsignals auf die Resonanzfrequenz des Piezotransformators eingestellt. Das Tastverhältnis des Oszillatorsignals wird derart eingestellt, dass der Eingangsstrom kleiner oder gleich dem vorgegebenen Stromwert ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente und Schaltungselemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
  • Es zeigen:
  • 1A und 1B beispielhafte Ausführungsformen eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
  • 2A und 2B eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip sowie eine Darstellung der Impedanz des Piezotransforma tors in Abhängigkeit von einer Frequenz,
  • 3, 4A, 4B, 5 bis 8 weitere beispielhafte Ausführungsformen eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
  • 9A und 9B eine alternative Ausführungsform eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip sowie Ausgangssignale eines Pulsweitenmodulators,
  • 10, 11, 12A und 12B weitere beispielhafte Ausführungsformen eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip und
  • 13 eine beispielhafte Ausführungsform einer Beleuchtungsanordnung umfassend einen Spannungswandler nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
  • 1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Der Spannungsumwandler 19 umfasst eine Schaltungsanordnung 20 und einen Piezotransformator 22. Die Schaltungsanordnung 20 weist einen Stromsensor 21, einen Treiberschaltkreis 23, eine Steuereinheit 24 und einen Oszillator 25 auf. Die Schaltungsanordnung 20 ist in einem Halbleiterkörper integriert. Der Halbleiterkörper umfasst die Schaltungsanordnung 20. Die Schaltungsanordnung 20 weist einen Versorgungsspannungsan schluss 26, einen Bezugspotenzialanschluss 27 sowie einen ersten und einen zweiten Ausgang 28, 29 auf. Eine Versorgungsquelle 30 ist zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 26 und dem Bezugspotenzialanschluss 27 angeordnet. Die Versorgungsquelle 30 ist als Batterie ausgebildet. Der Piezotransformator 22 weist einen ersten und einen zweiten Primäranschluss 31, 32 sowie einen ersten und einen zweiten Sekundäranschluss 33, 34 auf. Der erste Ausgang 28 ist mit dem ersten Primäranschluss 31 verbunden. Der zweite Ausgang 29 ist mit dem zweiten Primäranschluss 32 verbunden. Eingangseitig ist der Treiberschaltkreis 23 an einem ersten und an einem zweiten Treibereingang 35, 36 mit dem Versorgungsspannungsanschluss 26 und mit dem Bezugspotenzialanschluss 27 verbunden. Ausgangsseitig ist der Treiberschaltkreis 23 an einem ersten und an einem zweiten Treiberausgang 37, 38 mit dem ersten und dem zweiten Ausgang 28, 29 der Schaltungsanordnung 21 verbunden.
  • Der Stromsensor 21 ist zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 26 und dem ersten Treibereingang 35 des Treiberschaltkreises 23 angeordnet. Ein Ausgang des Stromsensors 23 ist mit einem ersten Steuereingang 39 der Steuereinheit 24 verbunden. Die Steuereinheit 24 weist einen zweiten Steuereingang 40 und einen ersten Steuerausgang 41 auf. Der erste Steuerausgang 41 ist mit einem Oszillatoreingang 42 des Oszillators 25 verbunden. Ein Oszillatorausgang 43 des Oszillators 25 ist mit einem Treibersignaleingang 44 des Treiberschaltkreises 23 verbunden.
  • Eine Versorgungsspannung VB wird von der Versorgungsquelle 30 bereitgestellt. Die Versorgungsspannung VB wird zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 26 und dem Bezugspotenzialanschluss 27 abgegriffen. Die Versorgungsspannung VB wird dem ersten und dem zweiten Eingang 35, 36 des Treiberschaltkreises 23 zugeleitet. Ein Eingangsstrom IE fließt zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 26 und dem ersten Eingang 35 des Treiberschaltkreises 23. Der Stromsensor 21 misst den Eingangsstrom IE und generiert ein Eingangsstromsignal IM in Abhängigkeit von dem Eingangsstrom IE. Das Eingangsstromsignal IM wird dem ersten Steuereingang 39 der Steuereinheit 24 zugeleitet. Ein vorgebbarer Stromwert IS wird dem zweiten Steuereingang 40 der Steuereinheit 24 zugeführt. Am Ausgang 41 gibt die Steuereinheit 24 ein Steuersignal ST ab. Das Steuersignal ST wird von der Steuereinheit 24 in Abhängigkeit von dem Eingangsstromsignal IM und dem vorgegebenen Stromwert IS erzeugt. Das Steuersignal ST wird dem Oszillatoreingang 42 zugeleitet. Der Oszillator 25 gibt am Oszillatorausgang 43 ein Oszillatorsignal SO ab. Das Oszillatorsignal SO wird vom Oszillator 25 in Abhängigkeit des Steuersignals ST erzeugt. Das Oszillatorsignal SO wird dem Treibersignaleingang 44 zugeführt. Der Treiberschaltkreis 22 generiert eine primärseitige Spannung VP in Abhängigkeit des Oszillatorsignals SO. Die primarseitige Spannung VP wird dem Piezotransformator 22 zugeleitet. Die primärseitige Spannung VP liegt zwischen dem ersten und dem zweiten Treiberausgang 37, 38 und somit zwischen dem ersten und dem zweiten Primäranschluss 31, 32 an. Eine sekundärseitige Spannung VO wird zwischen dem ersten und dem zweiten Sekundäranschluss 33, 34 abgegriffen.
  • Vorteilhafterweise erfolgt eine Regelung in der Schaltungsanordnung 20 durch das auf der Primärseite des Piezotransformators 22 abgreifbare Eingangsstromsignal IM.
  • 1B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip, die eine Weiterentwicklung des in 1A gezeigten Spannungs wandlers ist. Gemäß 1B ist der Stromsensor 21' zwischen dem Treiberschaltkreis 23 und dem Bezugspotenzialanschluss 27 angeordnet. Somit ist der Stromsensor 21' zwischen dem zweiten Treibereingang 36 des Treiberschaltkreises 23 und dem Bezugspotenzialanschluss 27 angeordnet. Dadurch kann das Eingangsstromsignal IM als ein Spannungssignal bereitgestellt werden, das auf das Potenzial des Bezugspotenzialanschlusses 27 bezogen ist.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann der Stromsensor 21 zwischen dem Treiberschaltkreis 23 und dem Piezotransformator 22 angeordnet sein. Der Stromsensor 21' kann zwischen dem ersten Treiberausgang 37 und dem ersten Ausgang 28 der Schaltungsanordnung 20 oder zwischen dem zweiten Treiberausgang 38 und dem zweiten Ausgang 29 der Schaltungsanordnung 20 angeordnet sein.
  • 2A zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip. 2A zeigt eine Weiterbildung des in den 1A und 1B dargestellten Spannungswandlers 20. Der Oszillator 25 ist als spannungsgesteuerter Oszillator, abgekürzt VCO, realisiert. Die Steuereinheit 24 umfasst einen Komparator 51 mit einem ersten und einem zweiten Komparatoreingang 52, 53. Der erste Komparatoreingang 52 ist als nicht-invertierender Eingang und der zweite Komparatoreingang 53 als invertierender Eingang ausgebildet. Der erste Komparatoreingang 52 ist mit dem ersten Steuereingang 39 verbunden. Die Steuereinheit 24 weist darüber hinaus einen Steuerkondensator 55 auf. Eine erste Elektrode des Steuerkondensators 55 ist mit dem ersten Steuerausgang 41 der Steuereinheit 24 verbunden. Eine zweite Elektrode des Steuerkondensators 55 ist mit dem Bezugspotenzialanschluss 27 verbunden. Ferner weist die Steuereinheit 24 eine erste Stromquelle 56 auf. Ein Komparatorausgang 54 des Komparators 51 ist mit einem Steuereingang der ersten Stromquelle 56 verbunden. Die erste Stromquelle 56 ist als geschalteter Widerstand realisiert. Die erste Stromquelle 56 verbindet den Versorgungsspannungsanschluss 26 mit der ersten Elektrode des Steuerkondensators 55. Die erste Stromquelle 56 umfasst einen Stromquellenschalter 57 und eine Stromquellenschaltung 58, die seriell zueinander angeordnet sind. Die Stromquellenschaltung 58 ist als erster Stromquellenwiderstand 59 realisiert. Der Komparatorausgang 54 ist an einen Steueranschluss des Stromquellenschalters 57 angeschlossen.
  • Eine zweite Stromquelle 60 ist zwischen der ersten Elektrode des Steuerkondensators 55 und dem Bezugspotenzialanschluss 27 angeordnet. Die zweite Stromquelle 60 umfasst einen zweiten Stromquellenwiderstand 61. Darüber hinaus umfasst die Steuereinheit 24 eine Startspannungsquelle 62 und einen Spannungsquellenschalter 63. Eine Serienschaltung aus der Startspannungsquelle 62 und dem Spannungsquellenschalter 63 ist zwischen der ersten Elektrode des Steuerkondensators 55 und dem Bezugspotenzialanschluss 27 angeordnet. Ferner weist die Schaltungsanordnung 20 einen Oszillatorschalter 64 auf, der den Oszillatorausgang 43 mit dem Treibereingang 44 verbindet.
  • Das Eingangsstromsignal IM wird dem ersten Komparatoreingang 52 zugeleitet. Dem zweiten Komparatoreingang 53 wird der vorgegebene Stromwert IS zugeführt. Ist das Eingangsstromsignal IM größer als der vorgegebene Stromwert IS, so weist ein Komparatorausgangssignal SC einen Wert auf, mit dem die erste Stromquelle 56 aktiv geschaltet wird. Der erste Stromquellenschalter 57 wird dazu geschlossen. Mittels der ersten Stromquelle 56 wird der Kondensator 55 aufgeladen. Das Steuersignal ST ist als Spannungssignal realisiert. Das Steuersignal ST fällt über dem Steuerkondensator 55 ab. Das Steuersignal ST wird dem Steuereingang 42 des Oszillators 25 zugeleitet. Über die zweite Stromquelle 60 fließt ein Strom von der ersten Elektrode des Steuerkondensators 55 zum Bezugspotenzialanschluss 27. Mittels der zweiten Stromquelle 60 kann somit die Steuerspannung ST reduziert werden.
  • Ist das Eingangsstromsignal IM kleiner oder gleich dem vorgegebene Stromwert IS, so wird die erste Stromquelle 56 inaktiv geschaltet. Der erste Stromquellenschalter 57 ist dazu in einem geöffneten Zustand. In diesem Betriebszustand wird der Steuerkondensator 55 über die zweite Stromquelle 60 entladen. Die Startspannungsquelle 62 generiert eine Startspannung VST. Nach dem Einschalten der Schaltungsanordnung 20 wird der Spannungsquellenschalter 63 geschlossen, so dass der Steuerkondensator 55 auf die Startspannung VST aufgeladen wird. Die Steuerspannung ST nimmt somit den Wert der Startspannung VST an. Die Startspannungsquelle 62 und der Spannungsquellenschalter 63 bewirken, dass nach einem Start des Betriebs der Schaltungsanordnung 20 das Steuersignal ST mit dem Startwert VST bereitgestellt wird und der Oszillator 25 das Oszillatorsignal SO mit einer Startfrequenz f1 abgibt. Nach dem Start wird der Oszillatorschalter 64 geschlossen, so dass die Oszillatorspannung SO dem Treibersignaleingang 44 zugeleitet wird. Nach Beendigung der Startphase wird der Spannungsquellenschalter 63 geöffnet. Die weitere Regelung des Steuersignals ST erfolgt somit über den Komparator 51 und die erste beziehungsweise die zweite Stromquelle 56, 60. Eine zusätzliche Erläuterung der Funktionsweise des Spannungswandlers gemäß 2A erfolgt anhand 2B.
  • Mit Vorteil kann mit einer geringen Anzahl von Komponenten die Steuereinheit 24 realisiert werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung 20 ein Filter 50, das den Stromsensor 21 mit dem ersten Eingang 39 der Steuereinheit 24 koppelt. Das Filter 50 ist als Tiefpass realisiert. Das Eingangsstromsignal IM wird mittels des Filters 50 gefiltert, so dass am ersten Steuereingang 39 ein gefiltertes Eingangsstromsignal anliegt.
  • In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform umfasst die Steuereinheit einen Verstärker. Der Verstärker ist als Transkonduktanzverstärker, englisch operational transconductance amplifier, realisiert. Ein erster Eingang des Verstärkers ist mit dem ersten Steuereingang 39 verbunden. Einem zweiten Eingang des Verstärkers wird der vorgegebene Stromwert IS zugeleitet. Der Verstärker verbindet den Versorgungsspannungsanschluss 26 mit der ersten Elektrode des Kondensators 55. Der Verstärker wird somit anstelle des Komparators 51 und der ersten Stromquelle 56 verwendet. Mit Vorteil bewirkt der Verstärker eine fein eingestellte Aufladung des Steuerkondensators 55.
  • 2B zeigt eine Eingangsimpedanz des Piezotransformators 22 in Abhängigkeit einer Oszillatorfrequenz fO des Oszillatorsignals SO. Für die Messung der Impedanz wurde ein Testsignal mit 0 dBm, das heißt 1 mW verwendet. Bei einer Resonanzfrequenz fr tritt eine Serienresonanz auf. Die Resonanzfrequenz fr hat beispielsweise den Wert 660 kHz. Im Betrieb wird der Piezotransformator 22 nach dem Start mit einer Startfrequenz f1 betrieben. Die Startfrequenz f1 wird mittels der Startspannungsquelle 62 eingestellt. Die Startfrequenz f1 stellt der Oszillator 25 bereit, wenn die Startspannung VST am Steuereingang des Oszillators 25 anliegt. Bei der Startfrequenz f1 ist das Eingangsstromsignal IM kleiner als der vorgegebene Stromwert IS. Daher schaltet das Komparatoraus gangssignal SC die erste Stromquelle 57 in einen offenen Zustand. Mittels der zweiten Stromquelle 60 wird der Kondensator 55 entladen, bis der Oszillator 25 ein Oszillatorsignal SO mit einer Arbeitspunktfrequenz f2 bereitstellt, bei der das Eingangsstromsignal IM gleich dem vorgegebenen Stromwert IS ist. Wird das Eingangsstromsignal IM größer als der vorgegebene Stromwert IS, so aktiviert das Komparatorausgangssignal SC die erste Stromquelle 56, so dass die Steuerspannung ST ansteigt.
  • Mit Vorteil wird mittels der Regelung erreicht, dass das Oszillatorsignal SO mit der Arbeitspunktfrequenz f2 bereitgestellt wird, bei der das Eingangsstromsignal IM näherungsweise gleich dem vorgegebenen Stromwert IS ist. Bei der Arbeitspunktfrequenz f2 ist somit der anstrebte Arbeitspunkt der Schaltungsanordnung 20 erreicht. Der Arbeitspunkt kann mit Vorteil beibehalten werden, unabhängig von Lastbedingungen, Temperatur oder Schwankungen der Versorgungsspannung VB. Vorteilhafterweise beeinflussen Störfrequenzen, englisch spurious frequencies, nicht den Betrieb der Schaltungsanordnung 20, da keine Phasenbeziehung zwischen den Signalen erforderlich ist.
  • 3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers, welcher eine Weiterbildung der in den 1A, 1B und 2A gezeigten Ausführungsformen ist. Gemäß 3 umfasst die Steuereinheit 24 den Steuerkondensator 55 sowie die erste Stromquelle 56'. Die erste Stromquelle 56' weist die Stromquellenschaltung 58' sowie den Stromquellenschalter 57' auf. Dabei ist die Stromquellenschaltung 58' mit dem Versorgungsspannungsanschluss 26 und der Stromquellenschalter 57' mit der ersten Elektrode des Steuerkondensators 55 verbunden. Der Komparator 51 ist am Komparatorausgang 54 mit dem Steuereingang des Stromquellenschalters 57' verbunden. Der Stromquellenschalter 57' ist als Umschalter realisiert. Der erste Eingang des Stromquellenschalters 57' ist mit der Stromquellenschaltung 58' und der zweite Eingang des Stromquellenschalters 57' ist mit der zweiten Stromquelle 60' verbunden. Die zweite Stromquelle 60' verbindet den zweiten Eingang des Stromquellenschalters 57' mit dem Bezugspotentialanschluss 27. Ein Ausgang des Stromquellenschalters 57' ist an die erste Elektrode des Steuerkondensators 55 angeschlossen.
  • In Abhängigkeit vom Komparatorausgangssignal SC wird die erste Elektrode des Steuerkondensators 55 entweder mit der ersten Stromquellenschaltung 58' oder der zweiten Stromquelle 60' verbunden. Ist das Eingangsstromsignal IM größer als der vorgegebene Stromwert IS, so wird der Stromquellenschalter 57' derart geschaltet, dass die Elektrode des Steuerkondensators 55 mit der ersten Stromquellenschaltung 58' leitend verbunden ist. Ist hingegen das Eingangsstromsignal IM kleiner als der vorgegebene Stromwert IS, so verbindet der Stromquellenschalter 57' die zweite Stromquelle 60' leitend mit der ersten Elektrode des Steuerkondensators 55.
  • Die erste Stromquellenschaltung 58' und/oder die zweite Stromquelle 60' können als Widerstände realisiert sein. Bevorzugt sind die erste Stromquellenschaltung 58' beziehungsweise die zweite Stromquelle 60' jeweils als Transistorschaltung ausgebildet, so dass der Flächenbedarf geringer als bei einer Realisierung mit Widerständen ist. Mit Vorteil ist die Steuereinheit 24 frei von Widerständen, da anstelle von Widerständen geschaltete Stromquellen in der Steuereinheit 24 verwendet werden.
  • In einer alternativen, in den 2A, 2B und 3 nicht gezeigten Ausführungsform wird als Startfrequenz f1 für den Oszillator 25 eine Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz fr des Piezotransformators 22 gewählt. Ausgehend von der Startfrequenz f1 wird die Oszillatorfrequenz fO derart erhöht, bis eine Arbeitspunktfrequenz f2 erreicht wird, welche kleiner als die Resonanzfrequenz fr ist. Bei der Arbeitspunktfrequenz f2 entspricht das Eingangsstromsignal IM dem vorgegebenen Stromwert IS. In der alternativen Ausführungsform ist der Stromquellenschalter 57 gemäß 2A geschlossen, wenn das Eingangsstromsignal IM kleiner als der vorgegebene Stromwert IS ist, und offen, wenn das Eingangsstromsignal IM größer als der vorgegebene Stromwert IS ist. In 3 ist in diesem Fall die erste Elektrode des Steuerkondensators 55 über den Stromquellenschalter 57' mit der ersten Stromquellenschaltung 58' verbunden, wenn das Eingangsstromsignal IM kleiner als der vorgegebene Stromwert IS ist, und mit der zweiten Stromquelle 60' verbunden, wenn das Eingangsstromsignal IM größer als der vorgegebene Stromwert IS ist.
  • 4A zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers, die eine Weiterentwicklung der in den 1 bis 3 gezeigten Spannungswandler ist. Gemäß 4A umfasst der Oszillator 25' einen Frequenzgenerator 70 und einen Phasenregelkreis 71. Der Frequenzgenerator 70 ist als interner Frequenzgenerator realisiert. Der Ausgang 41 der Steuereinheit 24 ist über den Oszillatoreingang 42 mit einem Steuereingang des Phasenregelkreises 71 verbunden. Ein Ausgang des Frequenzgenerators 70 ist mit einem Takteingang des Phasenregelkreises 71 verbunden. Ein Ausgang des Phasenregelkreises 71 ist an den Oszillatorausgang 43 angeschlossen. Der Oszillatorausgang 43 ist über den Oszillatorschalter 64 mit dem Treibersignaleingang 44 verbunden. Die Steuereinheit 24 umfasst den Komparator 51 und einen Zähler 72. Der Zähler 72. ist als Aufwärts-/Abwärtszähler realisiert. Der Komparatorausgang 54 ist über den Zähler 72 mit dem Ausgang 41 der Steuereinheit 24 verbunden. Ein Takteingang des Zählers 72 ist mit dem Ausgang des Frequenzgenerators 70 gekoppelt. Ein Frequenzteiler 73 koppelt den Ausgang des Frequenzgenerators 70 mit dem Takteingang des Zählers 72.
  • An einem Setzeingang des Zählers 72 wird eine Information über die Startfrequenz f1 dem Zähler 72 zugeleitet. Die Steuereinheit 24 umfasst dazu einen Startschalter 74. Am ersten Eingang des Startschalters 74 wird ein Wert bereitgestellt, bei dem die Schaltungsanordnung 20 ausgeschaltet ist. Am zweiten Eingang des Startschalters 74 wird die Information über die Startfrequenz f1 bereitgestellt. Das Steuersignal ST ist ein Signal an einem Ausgang des Zählers 72. Das Steuersignal ST ist als Digitalsignal ausgebildet. Der Zähler 72 stellt das Steuersignal ST in Abhängigkeit eines Vergleichs des Eingangstromsignals IM mit dem vorgegebenen Stromwert IM bereit. Das Steuersignal ST wird vom Zähler 72 in Abhängigkeit vom Komparatorausgangssignal SC erhöht oder verringert. Der Frequenzgenerator 70 erzeugt ein Frequenzsignal SOSC mit einer Normalfrequenz fOSC. Das Oszillatorsignal SO wird in Abhängigkeit des Frequenzsignals SOSC und des Steuersignals ST bereitgestellt. Das Steuersignal ST beeinflusst über den Phasenregelkreis 71 die Oszillatorfrequenz fO. Der Zähler 72 wird zum Einstellen der Oszillatorfrequenz fO verwendet. Mit Vorteil kann die Steuereinheit 24 im wesentlichen mittels Digitalschaltungen realisiert werden. Mit Vorteil kann eine Frequenzsuche auf die bei den 2A, 2B und 3 beschriebene Weise durchgeführt werden.
  • 4B zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Oszillators 25', der beispielsweise in eine Schaltungsanordnung 20 gemäß 4A eingesetzt sein kann. Der Oszillator 25' umfasst den Frequenzgenerator 70 und den Phasenregelkreis 71. Der Phasenregelkreis 71 umfasst einen Phasendetektor 75 und einen Nachlaufoszillator 76. Ein Ausgang des Phasendetektors 75 ist mit einem Eingang des Nachlaufoszillators 76 gekoppelt. Ein Ausgang des Nachlaufoszillators 76 ist mit dem Oszillatorausgang 43 verbunden. Der Ausgang des Phasendetektors 75 ist über eine Regelungsschaltung 77 mit dem Eingang des Nachlaufoszillators 76 verbunden. Die Regelungsschaltung 77 umfasst ein Schleifenfliter. Zusätzlich kann die Regelungsschaltung 77 eine Ladungspumpe umfassen. Dabei ist der Ausgang des Phasendetektors 75 über das Schleifenfilter und die Ladungspumpe mit dem Eingang des Nachlaufoszillators 76 verbunden. Der Nachlaufoszillator 76 ist als spannungskontrollierter Oszillator realisiert. Der Frequenzgenerator 70 ist über einen ersten Frequenzteiler 78 mit einem ersten Eingang des Phasendetektors 75 verbunden. Der Ausgang des Nachlaufoszillators 76 ist über einen zweiten Frequenzteiler 79 mit einem zweiten Eingang des Phasendetektors 75 verbunden. Der Oszillatoreingang 42 ist mit einem Steuereingang des ersten Frequenzteilers 78 verbunden. Der Phasendetektor 75, der Nachlaufoszillator 76, die Regelungsschaltung 77 sowie der erste und der zweite Frequenzteiler 78, 79 sind als Analogschaltungen realisiert.
  • Das Frequenzsignal SOSC am Ausgang des Frequenzgenerators 70 wird mittels des ersten Frequenzteilers 78 geteilt und das geteilte Signal dem ersten Eingang des Phasendetektors 75 zugeleitet. Der Nachlaufoszillator 76 generiert das Oszillator signal SO. Das Oszillatorsignal SO wird vom zweiten Frequenzteiler 79 geteilt und das geteilte Signal dem zweiten Eingang des Phasendetektors 75 zugeleitet. Der Phasendetektor 75 vergleicht das geteilte Frequenzsignal am ersten Eingang mit dem geteilten Oszillatorsignal am zweiten Eingang und stellt ein Phasendetektorausgangssignal SPH in Abhängigkeit des Vergleichs bereit. Das Phasendetektorausgangssignal SPH wird über die Regelungsschaltung 77 dem Nachlaufoszillator 76 zugeführt. Das Steuersignal ST wird dem Steuereingang des ersten Frequenzteilers 78 zugeleitet. Mit dem Steuersignal ST wird ein erstes Teilerverhältnis n1 eingestellt, das vom ersten Frequenzteiler 78 realisiert wird. Durch die Einstellung des ersten Teilerverhältnisses n1 wird somit die Oszillatorfrequenz fO des Oszillatorsignals SO eingestellt. Die Oszillatorfrequenz fO ergibt sich gemäß der Gleichung: fO = fOSC·n2n1 ,wobei fOSC die Frequenz des Frequenzsignals SOSC und n2 ein zweites Teilerverhältnis des zweiten Frequenzteilers 79 ist. Weist das Frequenzsignal SOSC Schwankungen auf, so wird mittels des Stromsensors 21 und der Steuereinheit 24 das Steuersignal ST derart bereitgestellt, dass die Oszillatorfrequenz fO des Oszillatorsignals SO näherungsweise den Wert vor dem Auftreten der Schwankungen im Frequenzsignal SOSC aufweist.
  • In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform sind der Phasendetektor 75, der Nachlaufoszillator 76, die Regelungsschaltung 77 sowie der erste und der zweite Frequenzteiler 78, 79 als Digitalschaltungen ausgebildet.
  • Alternativ ist der Oszillatoreingang 42 mit dem zweiten Frequenzteiler 79 verbunden. Hierbei wird das Steuersignals ST dem zweiten Frequenzteiler 79 und nicht dem ersten Frequenzteiler 78 zugeführt.
  • 5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers, die eine Weiterentwicklung der in den 1 bis 3, 4A und 4B gezeigten Spannungswandler ist. Der Spannungswandler 19 umfasst eine Ausgangsschaltung 80. Die Ausgangsschaltung 80 ist an den ersten und den zweiten Sekundäranschluss 33, 34 angeschlossen. Die Ausgangsschaltung 80 umfasst einen Ausgangskondensator 81. Eine erste Elektrode des Ausgangskondensators 81 ist mit dem zweiten Sekundäranschluss 34 gekoppelt. Eine zweite Elektrode des Ausgangskondensators 81 ist mit dem ersten Sekundäranschluss 33 verbunden. Die zweite Elektrode des Ausgangskondensators 81 ist an den Bezugspotentialanschluss 27 angeschlossen. Eine erste Diode 82 koppelt den zweiten Sekundäranschluss 34 mit der ersten Elektrode des Ausgangskondensators 81. Eine zweite Diode 83 verbindet den zweiten Sekundäranschluss 34 mit dem ersten Sekundäranschluss 33. Ein Abgriff am zweiten Sekundäranschluss 34 ist über einen Spannungsmesseingang 89 der Schaltungsanordnung 20 mit einem Spannungseingang 84 der Steuerschaltung 24' verbunden. Somit ist die Ausgangsschaltung 80 mit der Schaltungsanordnung 20 gekoppelt.
  • Die Steuereinheit 24 umfasst einen Spannungskomparator 85. Ein erster Eingang des Spannungskomparators 85 ist an den Spannungseingang 84 angeschlossen. Weiter umfasst die Steuereinheit 24' eine Referenzspannungsquelle 86, die einen zweiten Eingang des Spannungskomparators 85 mit dem Bezugspotentialanschluss 27 verbindet. Weiter umfasst die Steuereinheit 24' eine Digitalschaltung 87 und eine Steuerschaltung 88. Ein Ausgang des Spannungskomparators 85 ist mit einem Steuereingang der Digitalschaltung 87 verbunden. Die Steuerschaltung 88 ist an einem ersten Eingang mit dem Stromsensor 21 verbunden. Ein Ausgang der Steuerschaltung 88 ist mit einem Oszillatoreingang 42 des Oszillators 25 verbunden. Die Digitalschaltung 87 ist an einem Ausgang mit einem weiteren Eingang des Oszillators 25 verbunden. An einem weiteren Ausgang ist die Digitalschaltung 87 mit einem weiteren Eingang der Steuerschaltung 88 verbunden.
  • Dem zweiten Eingang der Steuerschaltung 88 wird der vorgegebene Stromwert IS zugeleitet. Dem ersten Eingang der Steuerschaltung 88 wird das Eingangsstromsignal IM zugeführt. Die Referenzspannungsquelle 86 stellt einen vorgegebenen Spannungswert VEOC bereit. Der vorgegebene Spannungswert VEOC wird mit einer in der Ausgangsschaltung 80 abgegriffenen Spannung, nämlich der sekundärseitigen Spannung VO, verglichen. Ist die in der Ausgangsschaltung 80 abgegriffene Spannung größer als der vorgegebene Spannungswert VEOC, so stellt der Spannungskomparator 85 ein Signal an seinem Ausgang bereit, das den Oszillator 25 und damit die Spannungswandlung stoppt. Ist die in der Ausgangsschaltung 80 abgegriffene Spannung kleiner oder gleich dem vorgegebenen Spannungswert VEOC, so stellt der Spannungskomparator 85 ein Signal an seinem Ausgang bereit, das den Oszillator 25 und damit die Spannungswandlung aktiviert. Der Spannungswandler 19 wird eingesetzt, um den Ausgangskondensator 81 zu laden. Der Digitalschaltung 87 kann ein Startsignal STA zugeleitet werden. Das Startsignal STA löst einen Beginn eines Ladevorganges des Ausgangskondensators 81 aus. Die Digitalschaltung 87 stellt an einem Ausgang ein Abarbeitungssignal SDO bereit.
  • Mit Vorteil wird bei der Regelung nicht nur die Größe des Eingangsstroms IE, sondern auch die erzielte Spannung in der Ausgangsschaltung 80 berücksichtigt.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist entsprechend der gestrichelten Linie der erste Eingang des Spannungskomparators 85 mit einem Abgriff in der Ausgangsschaltung 80 verbunden, der an die erste Elektrode des Ausgangskondensators 81 angeschlossen ist. Mittels der Kopplung der Ausgangsschaltung 80 und dem Spannungskomparator 85 wird die Ausgangsspannung VOUT detektiert und mit dem vorgegebenen Spannungswert VEOC verglichen. Die Steuereinheit 24' ist im Betrieb, bis die Ausgangsspannung VOUT den vorgegebenen Spannungswert VEOC erreicht.
  • 6 zeigt eine Weiterbildung des Spannungswandlers gemäß 1A, die eine Weiterentwicklung der in den 1 bis 5 gezeigten Spannungswandler ist. Der Spannungswandler 19 umfasst eine Spule 90. Die Spule 90 verbindet die Schaltungsanordnung 20 mit dem Piezotransformator 22. Die Spule 90 ist zwischen dem ersten Ausgang 28 der Schaltungsanordnung 20 und dem ersten Primäranschluss 31 angeordnet. Die Spule 90 und die Primärseite des Piezotransformators 22 bilden einen Schwingkreis. Der Schwingkreis ist als Serienschwingkreis realisiert. Ein Piezotransformator 22 kann eine hohe Eingangskapazität aufweisen. Daher kann es vorteilhaft sein, mit der Spule 90 die Eingangskapazität des Piezotransformators 22 zu laden und zu entladen. Somit wird eine hohe Energieeffizienz erreicht.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist der Oszillatorausgang 43 mit einem weiteren Steuereingang der Steuereinheit 24 verbunden.
  • 7 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip, die eine Weiterentwicklung der in den 1 bis 6 gezeigten Spannungswandler ist. Die Schaltungsanordnung 20 umfasst den Treiberschaltkreis 23, die Steuereinheit 24 und den Oszillator 25. Darüber hinaus umfasst die Schaltungsanordnung 20 einen Phasendetektor 91. Der Phasendetektor 91 weist einen Stromsignaleingang 92, einen weiteren Signaleingang 93 und einen Phasensignalausgang 94 auf. Der Stromsignaleingang 92 ist mit dem Ausgang des Stromsensors 21 verbunden. Der Stromsensor 21 ist zwischen dem Treiberschaltkreis 23 und dem Piezotransformator 22 angeordnet. Der weitere Signaleingang 93 ist mit dem ersten Treiberausgang 37 des Treiberschaltkreises 23 und damit mit dem ersten Ausgang 28 der Schaltungsanordnung 20 verbunden. Weiter umfasst die Schaltungsanordnung 20 einen Addierer 96. Ein erster Eingang des Addierers 96 ist mit dem ersten Treiberausgang 37 und damit mit dem ersten Ausgang 28 der Schaltungsanordnung 20 verbunden. Ein zweiter Eingang des Addierers 96 ist mit dem zweiten Treiberausgang 38 und damit mit dem zweiten Ausgang 29 der Schaltungsanordnung 20 verbunden. Der erste Eingang des Addierers 96 ist als nicht-invertierender Eingang und der zweite Eingang des Addierers 96 ist als invertierender Eingang realisiert. Der Addierer 96 dient somit der Subtraktion. Ein Ausgang des Addierers 96 ist an den weiteren Signaleingang 93 des Phasendetektors 91 angeschlossen. Der Phasensignalausgang 94 ist mit einem Phasensignaleingang 95 der Steuereinheit 24 verbunden. Ein weiterer Stromsensor 21' ist zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 26 und dem ersten Treibereingang 35 angeordnet und mit dem ersten Steuereingang 39 verbunden.
  • Dem Stromsignaleingang 92 wird somit das Eingangsstromsignal IM zugeleitet. Hingegen wird dem weiteren Signaleingang 93 des Phasendetektors 91 eine primärseitige Spannung VP zugeleitet. Die primärseitige Spannung VP fällt zwischen dem ersten und dem zweiten Treiberausgang 37, 38 und somit zwischen dem ersten und dem zweiten Primäranschluss 31, 32 ab. Der Phasendetektor 91 kann eine Phasendifferenz zwischen dem Eingangstromsignal IM und der primärseitigen Spannung VP bestimmen. Befinden sich das Eingangsstromsignal IM und die primärseitigen Spannung VP in Phase, so hält der Oszillator 25 ein Ausgangssignal SO mit einer Oszillatorfrequenz fO bereit, welche die Resonanzfrequenz fr des Piezotransformators 22 ist. Der weitere Stromsensor 21 gibt das weitere Eingangstromsignal IM' ab. Zusätzlich wird über den ersten Steuereingang 39 das weitere Eingangsstromsignal IM' und über den zweiten Steuereingang 40 der vorgegebene Stromwert IS der Steuereinheit 24 zugeleitet.
  • Falls der Schaltungsanordnung 20 nur ein kleiner Eingangsstrom IE bereitgestellt werden kann, so betreibt die Schaltungsanordnung 20 gemäß 7 den Piezotransformator 22 in der Resonanzfrequenz fr und benützt somit die maximal mögliche Höhe des Eingangsstroms IE. In diesem Fall ist das Eingangsstromsignal IM' kleiner als der vorgegebene Stromwert IS. Die Steuereinheit 24 stellt nach dem Anschalten den Oszillator 25 auf die Startfrequenz f1 ein, wie in 2B gezeigt. Die Steuereinheit 24 ist derart ausgelegt, dass sie die Oszillatorfrequenz fO so verringert, bis die Resonanzfrequenz fr erreicht wird. Die Resonanzfrequenz fr kann dadurch detektiert werden, dass die Phasenlage des Signals am Stromsignaleingang 92 und Signals am weiteren Signaleingang 93 des Phasendetektors 91 gleich sind. Die Steuereinheit 24 ist derart ausgelegt, dass sie das Impedanzminimum nicht ”überspringt”. Mit Vorteil ist bei Betrieb des Piezotransformators 22 mit der Resonanzfrequenz fr die Energieausnützung erhöht.
  • In einer nicht gezeigten, alternativen Ausführungsform ist der weitere Stromsensor 21' weggelassen. Der erste Steuerein gang 39 der Steuereinheit 24 ist dabei mit dem Ausgang des Stromsensors 21 verbunden. Das Eingangsstromsignal IM wird somit sowohl dem Phasendetektor 91 wie auch der Steuereinheit 24 zugeleitet.
  • 8 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip. 8 stellt eine Weiterentwicklung des in 7 gezeigten Spannungswandlers dar. Die Schaltungsanordnung 20 weist einen zusätzlichen Komparator 101 und einen zusätzlichen Schalter 102 auf. Ein Eingang des zusätzlichen Komparators 101 ist an den weiteren Stromsensor 21' angeschlossen. Der zusätzliche Schalter 102 koppelt den Phasensignalausgang 94 mit dem Phasensignaleingang 95. Ein Ausgang des zusätzlichen Komparators 101 ist an einen Steueranschluss des zusätzlichen Schalters 102 angeschlossen.
  • Der weitere Stromsensor 21' erzeugt ein weiteres Eingangsstromsignal IM'. Dem zweiten Eingang des zusätzlichen Komparators 101 wird ein Minimum-Stromwert IMIN zugeleitet. Der zusätzliche Komparator 101 vergleicht somit das weitere Eingangsstromsignal IM' mit dem Minimum-Stromwert IMIN. Ist das weitere Eingangsstromsignal IM' kleiner als der Minimum-Stromwert IMIN, so wird der zusätzliche Schalter 102 geöffnet. Somit wird kein Signal vom Phasendetektor 91 an den Phasensignalseingang 95 der Steuereinheit 24 zugeleitet. Da bei kleinen Eingangsströmen die Phasenlage des weiteren Stromsignals IM' schwanken kann, wird mittels des zusätzlichen Komparators 101 und des zusätzlichen Schalters 102 erreicht, dass bei derartigen kleinen Stromwerten die Steuerung ohne Berücksichtigung der Phasenlage erfolgt. Durch den Vergleich des weiteren Eingangsstromsignals IM' mit dem Minimum-Stromwert IMIN wird bewirkt, dass die Phasendetektion keinen Einfluss auf die Steuereinheit 24 hat, sofern der Eingangsstrom IE einen sehr kleinen Wert aufweist. Ist hingegen das weitere Eingangsstromsignal IM' größer als der Minimum-Stromwert IMIN, so wird der zusätzliche Schalter 102 geschlossen. Die Regelung erfolgt somit in Abhängigkeit auch der Phasenlage zwischen dem Eingangsstromsignal IM und der primärseitigen Spannung VP. Bei größeren Eingangsströmen haben Störfrequenzen oder störende Resonanzfrequenzen, englisch spurious frequencies, keinen Einfluss auf die Phasendetektion und damit auf die Regelung. Eine derartige Störung der Resonanzfrequenz ist in 2B bei 660 KHz gezeigt.
  • In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform vergleicht der Phasendetektor 91 die Phasendifferenz zwischen der primärseitigen Spannung VP und dem Eingangsstromsignal IM mit einem vorgegebenen Phasenwert. Wenn die Phasendifferenz größer als der vorgegebene Phasenwert ist, so verändert die Steuereinheit 24 die Oszillatorfrequenz fO.
  • 9A zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip. 9A stellt eine Weiterentwicklung der in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen dar. Die Schaltungsanordnung 20 gemäß 9A umfasst wie auch die Schaltungsanordnungen in den 7 und 8 den Treiberschaltkreis 23, den Stromsensor 21, die Steuereinheit 24 und den Oszillator 25. Weiter umfasst die Schaltungsanordnung 20 einen Pulsweitenmodulator 110. Der Pulsweitenmodulator 110 ist zwischen den Oszillator 25 und den Treiberschaltkreis 23 geschaltet. Der Oszillatorausgang 43 ist mit einem Eingang des Pulsweitenmodulators 110 verbunden. Ein Modulatorausgang 113 des Pulsweitenmodulators 110 ist mit dem Treibersignaleingang 44 verbunden. Ein weiterer Modulatorausgang 114 des Pulsweitenmodulators 110 ist mit einem weiteren Treibersignaleingang 111 des Treiberschaltkreises 23 verbunden. Ein Ausgang der Steuereinheit 24 ist mit einem Modulatorsteuereingang 112 des Pulsweitenmodulators 110 verbunden. Die Funktionsweise wird anhand 9B näher erläutert.
  • 9B zeigt beispielhafte Signale am Ausgang des in 9A gezeigten Pulsweitenmodulators 110. Der Pulsweitenmodulator 110 gibt am Pulsmodulatorausgang 113 ein Modulatorsignal S1 ab. Weiter gibt der Pulsweitenmodulator 110 am weiteren Pulsmodulatorausgang 114 ein weiteres Modulatorsignal S2 ab. In 9B ist auf der linken Seite das Modulatorsignal S1 und das weitere Modulatorsignal S2 mit dem maximalen Tastverhältnis gezeigt. Das Tastverhältnis beträgt 1/2, da die beiden Signale den Wert 1 während der Hälfte einer Periodendauer T aufweisen. Ist das Eingangsstromsignal IM größer als der vorgegebene Stromwert IS, so wird das Tastverhältnis reduziert. Modulatorsignale S1, S2 mit einem reduzierten Tastverhältnis sind auf der rechten Seite von 9B gezeigt. Die Zeitdauer während das Modulatorsignal S1 den Wert 1 annimmt, ist kleiner als die Hälfte der Periodendauer T. Das Tastverhältnis ist somit kleiner als 1/2. Aufgrund des reduzierten Tastverhältnisses wird weniger Energie der Primärseite des Piezotransformators 22 zugeleitet. Das Eingangsstromsignal IM wird soweit reduziert, bis das Eingangsstromsignal IM näherungsweise dem vorgegebenen Stromwert IS entspricht. Die Steuereinheit 24 führt eine Frequenzsuche ähnlich wie 2B gezeigt durch, stoppt jedoch erst dann, wenn die Oszillatorfrequenz fO die Resonanzfrequenz fr ist. Wenn der Eingangsstrom IE zu hoch ist, wird der Eingangsstrom IE durch eine Verringerung der Zeit reduziert, in der der Piezotransformator 22 mit der Versorgungsquelle 30 verbunden ist. Dazu werden ein dritter Betriebszustand und eine Pulsweitenmodulation eingesetzt.
  • Mit Vorteil wird von der Steuereinheit 24 der Oszillator 25 auf die Resonanzfrequenz fr des Piezotransformators 22 eingestellt. Da die Primärseite des Piezotransformators 22 bei oder nahe bei der Resonanzfrequenz fr schwingt, wird eine sehr hohe Energieeffizienz erreicht. Um den Eingangsstrom IE zu begrenzen, wird mittels des Pulsweitenmodulators 110 das Tastverhältnis reduziert. Mit Vorteil ist für den Phasendetektor 91 ein Abgriff auf der Primärseite des Piezotransformators 22 ausreichend.
  • 10 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip. 10 stellt eine Weiterentwicklung der in den 7, 8 und 9 gezeigten Schaltungsanordnungen 20 dar. Der Phasendetektor 91' weist den Stromsignaleingang 92 und den weiteren Signaleingang 93 auf. Der Oszillator 25 ist mit dem weiteren Signaleingang 93 gekoppelt. Dazu ist der weitere Signaleingang 93 mit dem Oszillatorausgang 43 verbunden. Der Phasendetektor 91' umfasst ein Flip-Flop 120. Ein Takteingang des Flip-Flops 120 ist mit dem weiteren Signaleingang 93 verbunden. Ein Dateneingang D des Flip-Flops 120 ist mit dem Stromsignaleingang 92 gekoppelt. Ein Datenausgang Q des Flip-Flops 120 ist mit dem Phasensignalausgang 94 verbunden. Der Phasendetektor 91' umfasst einen Phasendetektorkomparator 121. Der Phasendetektorkomparator 121 ist an einem ersten Eingang mit dem Stromsignaleingang 92 verbunden. Weiter ist der Phasendetektorkomparator 121 an einem Ausgang am Dateneingang D des Flip-Flops 120 angeschlossen.
  • Einem weiteren Eingang des Phasendetektorkomparators 121 wird ein vorgegebener Stromvergleichswert IPH zugeleitet. Das Flip-Flop 120 ist als taktzustandsgesteuertes Flip-Flop ausgebildet. Ein am Datensignaleingang D des Flip-Flops 120 anliegendes Signal wird dann auf den Datenausgang Q des Flip-Flops 120 weiter geschaltet, sofern am Takteingang C des Flip-Flops 120 der logische Wert 1 anliegt. Liegt der logische Wert 0 am Takteingang C an, so wird das am Datensignaleingang D anliegende Signal nicht auf den Datenausgang Q geschaltet. Weist daher das Oszillatorsignal SO den logischen Wert 1 auf, so wird in Abhängigkeit vom Eingangsstromsignal IM das Phasensignal auf den logischen Wert 1 oder auf den logischen Wert 0 gesetzt. Ist das Eingangsstromsignal IM größer als der vorgegebene Stromvergleichswert IPH, so hat das am Dateneingang D anliegende Signal den logischen Wert 1. Ist das Eingangsstromsignal IM kleiner als der vorgegebene Stromvergleichswert IPH, so hat das Signal am Dateneingang D den logischen Wert 0. Bei einem logischen Wert 1 des Oszillatorsignals SO wird das am Dateneingang D anliegende Signal auf den Datenausgang Q des Flip-Flops 120 und damit auf den Phasensignalausgang 94 geschaltet. Ein Signal am Ausgang des Phasendetektorkomparators 121 kann digital beim Übergang des Oszillatorsignals SO von 0 auf 1 gespeichert werden. Daher erfolgt die Phasendetektion geringfügig früher, bevor die Transistoren im Treiberschaltkreis 23 umgeschaltet werden.
  • Das Oszillatorsignal SO weist vorteilhafterweise in etwa dieselbe Phasenlage wie die primäre Spannung VP auf. Anstelle der primärseitigen Spannung VP wie in den 7, 8 und 9A kann das Oszillatorsignal SO für die Phasendetektion verwendet werden. Somit wird der Aufwand zur Realisierung der Schaltungsanordnung 20 reduziert. Der Phasendetektor 91 weist nur sehr wenige Bauelemente auf und ist daher aufwandsarm re alisierbar. Eine Phasenregelung kann abhängig von der Art des Piezotransformators 22 und der Höhe des Eingangsstroms IE vorteilhaft sein.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist ein Verzögerungsglied 122 zwischen dem weiteren Signaleingang 93 des Phasendetektors 91' und dem Takteingang C des Flip-Flops 120 angeordnet. Mit dem Verzögerungsglied 122 kann die Zeit ausgeglichen werden, mit der das Oszillatorsignal SO der primärseitigen Spannung VP vorauseilt. Das Verzögerungsglied 122 kann den Detektionszeitpunkt geringfügig zeitlich. verschieben. Somit wird die Genauigkeit der Phasendetektion erhöht.
  • In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform kann in den 7 bis 10 der weitere Stromsensor 21' entfallen. Der Stromsensor 21 stellt dann das Eingangsstromsignal IM für die Steuereinheit 24 und den Phasendetektor 91 bereit.
  • 11 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip. 11 stellt eine Weiterbildung der in den 1 bis 10 gezeigten Spannungswandler dar. Der Treiberschaltkreis 23 umfasst einen ersten Transistor 131, der den ersten Primäranschluss 31 mit dem Bezugspotentialanschluss 27 verbindet. Ein zweiter Transistor 132 des Treiberschaltkreises 23 verbindet den Versorgungsspannungsanschluss 26 mit dem ersten Primäranschluss 31. Darüber hinaus verbindet ein dritter Transistor 133 des Treiberschaltkreises 23 einen zweiten Primäranschluss 32 mit dem Bezugspotentialanschluss 27. Ferner verbindet ein vierter Transistor 134 des Treiberschaltkreises 23 den Versorgungsspannungsanschluss 26 mit dem zweiten Primäranschluss 32. Darüber hinaus umfasst der Treiberschaltkreis 23 eine Treibersteuerung 135. Die Treibersteuerung 135 ist eingangs seitig mit dem Treibersignaleingang 44 verbunden. Ausgangsseitig ist die Treibersteuerung 135 mit den Steueranschlüssen des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Transistors 131 bis 134 verbunden.
  • Der Treibersteuerung 135 wird das Oszillatorsignal SO zugeleitet. In Abhängigkeit des Oszillatorsignals SO steuert die Treibersteuerung 135 die Steueranschlüsse der vier Transistoren 131 bis 134 an. Der erste und der vierte Transistor 131, 134 werden in einer ersten Hälfte der Periodendauer T leitend geschaltet. In der ersten Hälfte der Periodendauer T werden der zweite und der dritte Transistor 132, 133 sperrend geschaltet. Hingegen werden in der zweiten Hälfte der Periodendauer T der erste und der vierte Transistor 131, 134 sperrend geschaltet. Weiter werden in der zweiten Hälfte der Periodendauer T der zweite und der dritte Transistor 132, 133 leitend geschaltet. Die vier Transistoren 131 bis 134 sind als Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistoren, abgekürzt MOSFETs, realisiert. Dabei sind der erste und der dritte Transistor 131, 133 vom gleichen Leitfähigkeitstyp. Ebenfalls sind der zweite und der vierte Transistor 132, 134 vom gleichen Leitfähigkeitstyp. Der erste und der dritte Transistor 131, 133 sind vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp verglichen mit dem zweiten und dem vierten Transistor 132, 134. Der zweite und der vierte Transistor 132, 134 sind als p-Kanal-MOSFET realisiert. Hingegen sind der erste und der dritte Transistor 131, 133 als n-Kanal-MOSFET realisiert. Der Treiberschaltkreis 23 wird auch als H-Brücke-Treiberschaltkreis bezeichnet. Die Treibersteuerung 135 ist derart ausgebildet, dass der erste und der zweite Transistor 131, 132 nicht gleichzeitig leiten. Ebenso ist die Treibersteuerung 135 so implementiert, dass der dritte und der vierte Transistor 133, 134 nicht gleichzeitig leiten. Somit wird ein Kurzschluss zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 26 . und dem Bezugspotentialanschluss 27 vermieden. Wie in 9A und 9B gezeigt, kann während einer Periode die Treibersteuerung 135 die vier Transistoren 131 bis 134 auch so ansteuern, dass die vier Transistoren 131 bis 134 gleichzeitig sperrend geschaltet sind. Die Treibersteuerung 135 kann derart ausgebildet sein, dass bei den vier Transistoren 131 bis 134 jeweils das Einschalten beziehungsweise das Ausschalten rampenförmig verläuft. Es erfolgt eine Steuerung des Einschalt- beziehungsweise des Ausschaltvorgangs, englisch slew-rate control. Mit Vorteil kann dadurch die elektromagnetische Verträglichkeit der Schaltungsanordnung 20 erhöht werden.
  • In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform sind der dritte und der vierte Transistor 133, 134 weggelassen. Die Ansteuerung des Piezotransformators 22 erfolgt somit mit einer halben Brücke. Der Treiberschaltkreis 23 umfasst dabei den ersten und den zweiten Transistor 131, 132 sowie die Treibersteuerung 135. Der zweite Primäranschluss 32 ist hierbei mit dem Bezugspotentialanschluss 27 verbunden.
  • 12A zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers, der eine Weiterbildung der in 11 gezeigten Ausführungsform ist. Gemäß 12A umfasst der Stromsensor 21 einen Messwiderstand 140. Weiter umfasst die Treibersteuerung 23 einen ersten Messtransistor 141. Eine Serienschaltung aus dem ersten Messtransistor 141 und dem Messwiderstand 140 ist zwischen dem ersten Primäranschluss 31 und dem Bezugspotentialanschluss 27 angeordnet. Ein Knoten zwischen dem Messwiderstand 140 und dem ersten Messtransistor 141 ist mit dem Eingang 39 der Steuereinheit 24 verbunden. Weiter umfasst der Treiberschaltkreis 23 einen zweiten Messtransistor 142, der zwischen dem zweiten Primäranschluss 32 und dem Knoten zwischen dem ersten Messtransistor 141 und dem Messwiderstand 140 angeordnet ist. Der erste Transistor 131 hat eine n-fache Stromtragefähigkeit verglichen mit dem ersten Messtransistor 141. Ein Weiten-zu-Längen Verhältnis des ersten Transistors 131 ist um den Faktor n größer als ein Weiten-zu-Längen Verhältnis des ersten Messtransistors 141. Ebenso hat der dritte Transistor 133 eine n-fache Stromtragefähigkeit beziehungsweise ein n-faches Weiten-zu-Längen Verhältnis verglichen mit dem zweiten Messtransistor 142. Ein Steueranschluss des ersten Messtransistors 141 ist an den Steueranschluss des ersten Transistors 131 angeschlossen. Entsprechend ist ein Steueranschluss des zweiten Messtransistors 142 an den Steueranschluss des dritten Transistors 133 angeschlossen.
  • Der erste Transistor 131 und der erste Messtransistor 141 leiten gleichzeitig. Jedoch fließt durch den ersten Transistor 131 das n-fache des Stromes, der durch den ersten Messtransistor 141 fließt. Das Eingangsstromsignal IM ist die Spannung, die am Messwiderstand 140 abfällt. Das Eingangsstromsignal IM ist somit ein Maß für den durch den ersten Messtransistor 141 fließenden Strom und damit auch ein Maß für den durch den ersten Transistor 131 fließenden Strom. Das Eingangsstromsignal IM ist somit proportional zur Größe des Eingangsstroms IE. Da während der zweiten Hälfte der Periodendauer T der erste Transistor 131 sperrt und der dritte Transistor 133 leitet, fließt in dieser Zeit der Eingangsström IE durch den dritten Transistor 133 beziehungsweise durch den zweiten Messtransistor 142. Während der zweiten Hälfte der Periodendauer T ist das Eingangsstromsignal IM ebenfalls proportional zum Eingangsstrom IM.
  • Mit Vorteil fließt der Hauptteil des Eingangsstroms IE nahezu ohne ohmsche Verluste. Ausschließlich ein kleiner Anteil des Eingangsstroms IE fließt durch den Messwiderstand 140. Somit kann mit hoher Effektivität das Eingangsstromsignal IM bereitgestellt werden. Mit Vorteil ist der Leistungspfad des Treiberschaltkreises 23 frei von ohmschen Widerständen.
  • 12B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungswandlers. Der Treiberschaltkreis 23 gemäß 12B stellt eine Weiterbildung der Treiberschaltkreise aus 11 und 12A dar. Der Stromsensor 21 umfasst den Messwiderstand 140 sowie einen weiteren Messwiderstand 150. Der Treiberschaltkreis 23 umfasst den ersten und den zweiten Messtransistor 141, 142. Eine Serienschaltung umfassend den weiteren Messwiderstand 150 und den zweiten Messtransistor 142 ist zwischen den zweiten Primäranschluss 32 und den Bezugspotentialanschluss 27 geschaltet. Der Knoten zwischen dem ersten Messtransistor 141 und dem Messwiderstand 140 ist über einen ersten Addierwiderstand 152 mit einem Ausgang 151 des Stromsensors 21 verbunden. Entsprechend ist ein Knoten zwischen dem zweiten Messtransistor 142 und dem weiteren Messwiderstand 150 über einen zweiten Addierwiderstand 153 mit dem Ausgang 151 des Stromsensors 21 verbunden. Der Phasendetektor 91 ist wie in 10 gezeigt realisiert. Der Stromsignaleingang 92 des Phasendetektors 91 ist mit dem Knoten zwischen dem ersten Messtransistor 141 und dem Messwiderstand 140 verbunden. Am Ausgang 151 des Stromsensors 21 ist das Eingangsstromsignal IM abgreifbar. Das Eingangsstromsignal IM ist als Strom ausgebildet. Somit wird das Eingangsstromsignal IM in der ersten Hälfte der Periodendauer durch einen Strom durch den ersten Addierwiderstand 152 und während der zweiten Hälfte der Periodendauer T durch einen Strom durch den zweiten Addierwiderstand 153 gebildet. Dem Stromsignaleingang 92 des Phasendetektors 91' wird ein zusätzliches Eingangsstromsignal IM'' bereitgestellt, das proportional zum Eingangsstrom IE während der ersten Hälfte der Periodendauer ist. Somit ändert sich das Signal am Dateneingang des Flip-Flops 120 während einer Periode ausschließlich einmal von 0 auf 1.
  • 13 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Beleuchtungsanordnung umfasst den Spannungswandler 19 sowie eine Lichtquelle 160. Die Lichtquelle 160 ist als Xenonlampe realisiert. Die Lichtquelle 160 ist zum Abgeben von Blitzen ausgelegt. Der Spannungswandler 19 weist die Versorgungsquelle 30 auf. Die Versorgungsquelle 30 ist als Batterie realisiert. Ein Glättungskondensator 161 ist zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 26 und den Bezugspotentialanschluss 27 geschaltet. Die Schaltungsanordnung 20 des Spannungswandlers 19 kann gemäß einer der in den 1 bis 12B gezeigten Ausführungsformen realisiert sein. Beispielsweise kann die Schaltungsanordnung gemäß der Ausführung in 12B implementiert sein. Die Schaltungsanordnung 20 kann einen Startsignaleingang 162 aufweisen, der mit einem Eingang der Steuereinheit 24 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung 20 weist einen Abarbeitungsanschluss 163 auf, der mit der Steuereinheit 24 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung 20 umfasst einen Signaltransistor 164, der den Abarbeitungsanschluss 163 mit dem Bezugspotentialanschluss 27 verbindet. Ein Steueranschluss des Signaltransistors 164 ist mit einem Ausgang der Steuereinheit 24 verbunden. Die Schaltungsanordnung 20 weist darüber hinaus einen Blitzauslöseeingang 165, einen Transistortreiber 166 und einen Blitzauslöseausgang 167 auf. Der Transistortreiber 166 koppelt den Blitzauslöseeingang 165 mit dem Blitzauslöseausgang 167.
  • Zusätzlich zu den in 5 gezeigten Elementen der Ausgangsschaltung 80 umfasst die Ausgangsschaltung 80' gemäß 13 einen Spannungsteiler, der den ersten Sekundäranschluss 33 mit dem zweiten Sekundäranschluss 34 verbindet. Der Spannungsteiler weist einen ersten Spannungsteilerwiderstand 170 und einen zweiten Spannungsteilerwiderstand 171 auf. Ein Knoten 172 zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsteilerwiderstand 170, 171 ist mit dem Spannungsmesseingang 89 der Schaltungsanordnung 20 verbunden. Der Spannungsmesseingang 89 ist mit dem Spannungseingang 84 der Steuereinheit 24 wie in 5 gezeigt verbunden. Die Lichtquelle 160 ist zwischen die erste und die zweite Elektrode des Ausgangskondensators 81 geschaltet.
  • Die Ausgangsschaltung 80' umfasst einen Blitzauslösetransistor 173, der in Serie zur Lichtquelle 160 geschaltet ist. Die Serienschaltung umfassend die Lichtquelle 160 und den Blitzauslösetransistor 173 verbindet die erste Elektrode des Ausgangskondensators 81 mit der zweiten Elektrode des Ausgangskondensators 81. Die Lichtquelle 160 ist mit der ersten Elektrode des Ausgangskondensators 81 verbunden. Hingegen ist der Blitzauslösetransistor 173 mit der zweiten Elektrode des Ausgangskondensators 81 verbunden. Die zweite Elektrode des Ausgangskondensators 81 ist am Bezugspotentialanschluss 27 angeschlossen. Ein Kapazitätswert des Ausgangskondensators 81 kann beispielsweise 22 μF betragen. Der Blitzauslöseausgang 167 ist an einen Steueranschluss des Blitzauslösetransistors 173 angeschlossen. Der Blitzauslösetransistor 173 ist als Bipolartransistor mit isoliertem Gate, englisch insulated gate bipolar transistor, abgekürzt IGBT, implementiert.
  • Weiter umfasst die Ausgangsschaltung 80' eine Triggerschaltung 174. Die Triggerschaltung 174 umfasst einen Trigger transformator 175, einen Triggerkondensator 176 und einen Triggerwiderstand 177. Eine Serienschaltung umfassend den Triggerwiderstand 177, den Triggerkondensator 176 und eine Primärseite des Triggertransformators 175 ist zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode des Ausgangskondensators 81 geschaltet. Dabei sind der Triggerwiderstand 177 mit der ersten Elektrode des Ausgangskondensators 81 und die Primärseite des Triggertransformators 175 mit der zweiten Elektrode des Ausgangskondensators 81 verbunden. Der Triggerkondensator 176 ist zwischen dem Triggerwiderstand 177 und der Primärseite des Triggertransformators 175 angeordnet. Ein Knoten zwischen dem Triggerwiderstand 177 und dem Triggerkondensator 176 ist mit einem Knoten zwischen der Lichtquelle 160 und dem Blitzauslösetransistor 173 verbunden. Eine Sekundärseite des Triggertransformators 175 verbindet die zweite Elektrode des Ausgangskondensators 81 mit einem Steueranschluss der Lichtquelle 160.
  • Ein Startsignal STA am Starteingang 162 triggert den Beginn des Betriebs des Piezotransformators 122, sodass eine Spannung am Ausgang des Piezotransformators 122 generiert wird. Am Abarbeitungsanschluss 163 wird ein invertiertes Abarbeitungssignal ISDO bereitgestellt. Wie beispielsweise in 5 gezeigt, stellt die Steuereinheit 24 ein Abarbeitungssignal SDO bereit, das dem Steueranschluss des Abarbeitungstransistors 164 zugeleitet wird. Mittels des Abarbeitungstransistors 164 wird das invertierte Abarbeitungssignal ISDO generiert. Dem Blitzauslöseeingang 165 wird ein Blitzauslösesignal SFL zugeführt. Am Blitzauslöseausgang 167 ist ein Blitzauslösesignal SIGBT abgreifbar, das dem Steuereingang des Blitzauslösetransistors 173 zugeleitet wird. Die über den Ausgangskondensator 81 abfallende Ausgangsspannung VOUT kann beispielsweise einen Wert von 330 V betragen.
  • Die Messung auf der Primärseite des Piezotransformators 22 ist vorteilhafterweise verglichen mit einer Messung auf der Sekundärseite des Piezotransformators 22, auf der eine hohe Ausgangsspannung VOUT vorhanden sein kann, mit geringem Aufwand möglich. Die Schaltungsanordnung 20 kann eingesetzt werden, um einen Ausgangskondensator 81 zu laden, insbesondere wenn eine hohe Ausgangsspannung VOUT erforderlich ist. Insbesondere für eine Anwendung in der Beleuchtung ist die Schaltungsanordnung 20 einsetzbar. Sie ermöglicht ein Aufladen des Ausgangskondensators 81 beispielsweise für die Erzeugung eines Blitzes mittels einer Xenonlichtquelle 160. Mit Vorteil kann mittels des Piezotransformators 122 eine hohe Ausgangsspannung VOUT bereitgestellt werden. Die Regelung auf der Basis einer genauen Bestimmung des Eingangsstroms IE ermöglicht eine einfache Integration der Schaltungsanordnung 20 und der Ausgangsschaltung 80 in ein portables System, insbesondere in ein Gerät der Mobilfunkkommunikation. Mit Vorteil wird der Eingangsstrom IE auf den Wert des vorgegebenen Stromwerts IS geregelt. In batteriebetriebenen Systemen, wie beispielsweise einem Gerät der Mobilfunkkommunikation, kann die Batterie nur einen Strom bis zu einem bestimmten Wert bereitstellen. Mit Vorteil wird durch die Strombegrenzung mittels der Schaltungsanordnung 20 ein unkontrollierter Stromverbrauch vermieden. Dadurch wird erreicht, dass ein ungewolltes Abschalten des Geräts der Mobilfunkkommunikation vermieden wird, wenn beispielsweise ein Hochfrequenzleistungsverstärker gleichzeitig mit der Schaltungsanordnung 20 betrieben wird.
    • 19
    Spannungswandler
    20
    Schaltungsanordnung
    21, 21'
    Stromsensor
    22
    Piezotransformator
    23
    Treiberschaltkreis
    24
    Steuereinheit
    25, 25'
    Oszillator
    26
    Versorgungsspannungsanschluss
    27
    Bezugspotentialanschluss
    28
    erster Ausgang
    29
    zweiter Ausgang
    30
    Versorgungsquelle
    31
    erster Primäranschluss
    32
    zweiter Primäranschluss
    33
    erster Sekundäranschluss
    34
    zweiter Sekundäranschluss
    35
    erster Treibereingang
    36
    zweiter Treibereingang
    37
    erster Treiberausgang
    38
    zweiter Treiberausgang
    39
    erster Steuereingang
    40
    zweiter Steuereingang
    41
    erster Steuerausgang
    42
    Oszillatoreingang
    43
    Oszillatorausgang
    44
    Treibersignaleingang
    50
    Filter
    51
    Komparator
    52
    erster Komparatoreingang
    53
    zweiter Komparatoreingang
    54
    Komparatorausgang
    55
    Steuerkondensator
    56
    erste Stromquelle
    57, 57'
    Stromquellenschalter
    58, 58'
    Stromquellenschaltung
    59
    erster Stromquellenwiderstand
    60, 60'
    zweite Stromquelle
    61
    zweiter Stromquellenwiderstand
    62
    Startspannungsquelle
    63
    Spannungsquellenschalter
    64
    Oszillatorschalter
    70
    Frequenzgenerator
    71
    Phasenregelkreis
    72
    Zähler
    73
    Frequenzteiler
    74
    Startschalter
    75
    Phasendetektor
    76
    Nachlaufoszillator
    77
    Regelungsschaltung
    78
    erster Frequenzteiler
    79
    zweiter Frequenzteiler
    80
    Ausgangsschaltung
    81
    Ausgangskondensator
    82
    erste Diode
    83
    zweite Diode
    84
    Spannungseingang
    85
    Spannungskomparator
    86
    Referenzspannungsquelle
    87
    Digitalschaltung
    88
    Steuerschaltung
    89
    Spannungsmesseingang
    90
    Spule
    91
    Phasendetektor
    92
    Stromsignaleingang
    93
    weiterer Signaleingang
    94
    Phasensignalausgang
    95
    Phasensignaleingang
    96
    Addierer
    101
    zusätzlicher Komparator
    102
    zusätzlicher Schalter
    110
    Pulsweitenmodulator
    111
    weiterer Treibersignaleingang
    112
    Modulatorsteuereingang
    113
    Modulatorausgang
    114
    weiterer Modulatorausgang
    120
    Flip-Flop
    121
    Phasendetektorkomparator
    122
    Verzögerungsglied
    131
    erster Transistor
    132
    zweiter Transistor
    133
    dritter Transistor
    134
    vierter Transistor
    135
    Treibersteuerung
    140
    Messwiderstand
    141
    erster Messtransistor
    142
    zweiter Messtransistor
    150
    weiterer Messwiderstand
    151
    Stromsensorausgang
    152
    erster Addierwiderstand
    153
    zweiter Addierwiderstand
    160
    Lichtquelle
    161
    Glättungskondensator
    162
    Startsignaleingang
    163
    Abarbeitungsanschluss
    164
    Abarbeitungstransistor
    165
    Blitzauslöseeingang
    166
    Transistortreiber
    167
    Blitzauslöseausgang
    170
    erster Spannungsteilerwiderstand
    171
    zweiter Spannungsteilerwiderstand
    172
    Spannungsteilerabgriff
    173
    Blitzauslösetransistor
    174
    Triggerschaltung
    175
    Triggertransformator
    176
    Triggerkondensator
    177
    Triggerwiderstand
    f
    Frequenz
    fO
    Oszillatorfrequenz
    fOSC
    Normalfrequenz
    fr
    Resonanzfrequenz
    f1
    Startfrequenz
    f2
    Arbeitspunktfrequenz
    IE
    Eingangsstrom
    IM
    Eingangsstromsignal
    IMIN
    Minimum-Stromwert
    IPH
    Stromvergleichswert
    IS
    vorgegebener Stromwert
    ISDO
    invertiertes Abarbeitungssignal
    SC
    Komparatorausgangssignal
    SDO
    Abarbeitungssignal
    SFL
    Blitzauslösesignal
    SIGBT
    Transistorsteuersignal
    SO
    Oszillatorsignal
    SOSC
    Frequenzsignal
    SP
    Phasensignal
    SPH
    Phasendetektorausgangssignal
    ST
    Steuersignal
    STA
    Startsignal
    S1
    Modulatorsignal
    S2
    weiteres Modulatorsignal
    T
    Periodendauer
    VB
    Versorgungsspannung
    VEOC
    vorgegebener Spannungswert
    VO
    sekundärseitige Spannung
    VOUT
    Ausgangsspannung
    VP
    primärseitige Spannung
    VST
    Startspannung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6400096 B1 [0003]

Claims (15)

  1. Schaltungsanordnung für einen Piezotransformator, umfassend: – einen Treiberschaltkreis (23), an den der Piezotransformator (22) anschließbar ist, – einen Stromsensor (21) zum Bestimmen eines Eingangsstromsignals (IM), das von einem durch den Piezotransformator (22) fließenden Eingangsstrom (IE) abhängig ist, – eine Steuereinheit (24) zum Bereitstellen eines Steuersignals (ST) in Abhängigkeit von dem Eingangsstromsignal (IM) und – einen Oszillator (25) mit einem Oszillatorausgang (43) zum Abgeben eines Oszillatorsignals (SO) an einen Treibersignaleingang (44) des Treiberschaltkreises (23) in Abhängigkeit von dem Steuersignal (ST).
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (24) ausgebildet ist, das Steuersignal (ST) derart abzugeben, dass das Eingangsstromsignal (IM) kleiner oder gleich einem vorgegebenen Stromwert (IS) ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, die Steuereinheit (24) umfassend einen Komparator (51), der – einen ersten Komparatoreingang (52), dem das Eingangsstromsignal (IM) zuleitbar ist, – einen zweiten Komparatoreingang (53), dem ein vorgegebener Stromwert (IS) zuleitbar ist, und – einen Komparatorausgang (54), der mit einem ersten Steuerausgang (41), der Steuereinheit (24) gekoppelt ist, aufweist.
  4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, der Oszillator (25) umfassend – einen Frequenzgenerator (70) und – einen Phasenregelkreis (71), der an einem Takteingang mit einem Ausgang des Frequenzgenerators (70) und an eifern Ausgang mit dem Oszillatorausgang (43) gekoppelt ist, und die Steuereinheit (24) umfassend einen Zähler (72) mit einem Eingang, der mit dem Komparatorausgang (54) gekoppelt ist, einem Takteingang, der mit dem Ausgang des Frequenzgenerators (70) gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit einem Steuereingang des Phasenregelkreises (71) gekoppelt ist.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Oszillator (25) als spannungsgesteuerter Oszillator und das Steuersignal (ST) als Spannungssignal realisiert ist.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, die Steuereinheit (24) umfassend – einen Steuerkondensator (55), an dem das Steuersignal (ST) abgreifbar ist, – eine Startspannungsquelle (62), die mit einer ersten Elektrode des Steuerkondensators (55) gekoppelt ist und an der ein Startwert (VST) des Steuersignals (ST) abgreifbar ist, und – eine erste Stromquelle (56), die mit der ersten Elektrode des Steuerkondensators (55) gekoppelt ist und von der ein Strom in Abhängigkeit eines Vergleichs des Eingangsstromssignals (IM) mit einem vorgegebenen Stromwert (IS) bereitstellbar ist.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der Treiberschaltkreis (23) umfassend – einen ersten Transistor (131) zum Koppeln eines Bezugspotentialanschlusses (27) mit einem ersten Primäranschluss (31) des Piezotransformators (22), – einen zweiten Transistor (132) zum Koppeln eines Versorgungsspannungsanschlusses (26) mit dem ersten Primäranschluss (31) des Piezotransformators (22) und – eine Treibersteuerung (135), die eingangsseitig mit dem Treibersignaleingang (44) und ausgangsseitig mit den Steueranschlüssen des ersten und des zweiten Transistors (131, 132) gekoppelt ist.
  8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei der Stromsensor (21) einen Messwiderstand (140) umfasst, der Treiberschaltkreis (23) einen ersten Messtransistor (141) umfasst, die Treibersteuerung (135) ausgangsseitig mit einem Steueranschluss des ersten Messtransistors (141) gekoppelt ist, eine Serienschaltung aus dem Messwiderstand (140) und dem ersten Messtransistor (141) zwischen dem ersten Primäranschluss (31) und dem Bezugspotentialanschluss (27) angeordnet ist sowie das Eingangsstromsignal (IM) an einem Knoten zwischen dem Messwiderstand (140) und dem ersten Messtransistor (141) abgreifbar ist.
  9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend einen Phasendetektor (91), aufweisend – einen Stromsignaleingang (92), – einen weiteren Signaleingang (93), der eingangsseitig mit einem ersten und/oder einem zweiten Treiberausgang (37, 38) des Treiberschaltkreises (23) oder alternativ mit dem Oszillatorausgang (43) gekoppelt ist, und – einen Phasensignalausgang (94), der mit einem Phasensignaleingang (95) der Steuereinheit (24) gekoppelt ist und an dem ein Phasensignal (SP) abgreifbar ist, das in Ab hängigkeit der Signale am Stromsignaleingang (92) und am weiteren Signaleingang (93) bereitgestellt ist.
  10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend einen Pulsweitenmodulator (110), der zwischen den Oszillatorausgang (43) und den Treibersignaleingang (44) angeordnet ist und an einem Modulatorsteuereingang (112) mit einem Ausgang der Steuereinheit (24) gekoppelt ist
  11. Spannungswandler, umfassend eine Schaltungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und den Piezotransformator (22).
  12. Spannungswandler nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit (24) einen Spannungseingang (84) umfasst, der mit einem ersten und/oder zweiten Sekundäranschluss (33, 34) des Piezotransformators (22) gekoppelt ist, und die Steuereinheit (24) ausgebildet ist, das Steuersignal (ST) in Abhängigkeit eines Vergleichs eines Signals am Spannungseingang (84) und eines vorgegebenen Spannungswerts (VEOC) bereitzustellen.
  13. Beleuchtungsanordnung, umfassend einen Spannungswandler (19) nach Anspruch 11 oder 12 sowie eine Lichtquelle (160), die mit einem ersten und einem zweiten Sekundäranschluss (33, 34) des Piezotransformators (22) gekoppelt ist.
  14. Verfahren zum Ansteuern eines Piezotransformators (22), umfassend: – Bereitstellen eines Eingangsstrom (IE) für den Piezotransformator (22), – Erzeugen eines Eingangsstromsignals (IM) in Abhängigkeit von dem Eingangsstrom (IE), – Bereitstellen eines Steuersignals (ST) in Abhängigkeit von dem Eingangsstromsignal (IE), – Abgeben eines Oszillatorsignals (SO) in Abhängigkeit von dem Steuersignal (ST) und – Ansteuern des Piezotransformators (22) in Abhängigkeit von dem Oszillatorsignal (SO).
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Steuersignal (ST) derart abgegeben wird, dass das Eingangsstromsignal (IM) kleiner oder gleich einem vorgegebenen Stromwert (IS) ist.
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