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Die Erfindung betrifft einen Leistungswandler mit einer Wechselsignalerzeugerschaltung, die zumindest ein schaltendes Element aufweist, das mit einem Ansteuersignal einer Ansteuerfrequenz angesteuert ist, einem der Wechselsignalerzeugerschaltung nachgeschalteten Filter mit einer Filtereckfrequenz und einem Ausgangssignalausgang, wobei ein mit einem Ausgangssignal in Beziehung stehender Ist-Wert sowie ein Soll-Wert einer Komparatorschaltung zugeführt sind, die ein Komparatorsignal erzeugt, welches durch ein galvanisch entkoppeltes Übertragungselement an eine das Ansteuersignal beeinflussende Steuerung übermittelt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsgröße eines Leistungswandlers, bei dem
- a) ein Wechselsignal durch Ansteuerung zumindest eines schaltenden Elements mit einem Ansteuersignal einer Ansteuerfrequenz erzeugt wird;
- b) das Wechselsignal mit einem Filter, der eine Filtereckfrequenz aufweist, gefiltert wird;
- c) ein mit einem Ausgangssignal des Leistungswandlers in Beziehung stehender Ist-Wert einer Komparatorschaltung zugeführt wird;
- d) ein Komparatorsignal in Abhängigkeit von einem Vergleich des Ist-Werts mit dem Soll-Wert erzeugt wird;
- e) das Komparatorsignal an eine Steuerung durch ein galvanisch entkoppeltes Übertragungselement übertragen wird;
- f) das Ansteuersignal in Abhängigkeit von dem übertragenen Komparatorsignal beeinflusst wird.
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Getaktete Leistungswandler, häufig auch als Schaltstromversorgung bezeichnet, werden häufig zum Betrieb von Plasmaprozessen oder von Treibern von HF-Leistungsstromversorgungen als Last eingesetzt. Solche Lasten weisen häufig eine stark nicht lineare und dynamische Impedanz auf. Daher kommt es häufig zu Fehlanpassungen mit der Folge, dass Leistung nicht in die Last geliefert werden kann sondern reflektiert wird. In einem solchen Fall darf der Leistungswandler nicht ständig zusätzlich Leistung in das System einbringen, sondern muss sehr schnell auf eine geänderte Lastimpedanz reagiert werden. Es ist demnach eine stabile Regelung der Ausgangsleistung, insbesondere der Ausgangsspannung des Leistungswandlers, notwendig, mit den Anforderungen einer hohen Genauigkeit, geringen Toleranzen und einer extrem hohen Dynamik, sodass auf Ausgangsstromsprünge zwischen 0 und 100% und wieder zurück reagiert werden kann. Mit konventionellen Analogreglern kann keine Dimensionierung gefunden werden, die alle Anforderungen erfüllt.
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Aus der
US 2010/0103703 A1 ist bekannt, mittels einer Vollbrücke ein Wechselsignal zu erzeugen und dieses über einen Übertrager an einen sekundärseitigen Schaltkreis zu übertragen. Ein Signal dieses Schaltkreises wird einem digitalen Steuerschaltkreis zugeführt, dessen Signal wiederum über einen Übertrager an eine Treiberschaltung übergeben wird, die die Transistoren der Vollbrücke ansteuert.
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In der
US 7,649,280 ist eine Schaltstromversorgung beschrieben, deren Ausgangssignal von einem Übertrager an einen Ausgangsschaltkreis übertragen wird. Ein Ausgangssignal wird einem Fehlergeneratorschaltkreis zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird einem Komparator zugeführt, der das Ausgangssignal mit einem Soll-Wert vergleicht und in Abhängigkeit des Vergleichs ein Signal erzeugt. Das Signal wird optisch übertragen und in Abhängigkeit des optisch übertragenen Signals kann ein Transistor angesteuert werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leistungswandler und ein Verfahren zur Regelung einer Ausgangsgröße eines Leistungswandlers bereitzustellen, sodass eine Regelung der Ausgangsleistung mit einer hohen Genauigkeit, geringen Toleranzen und einer hohen Dynamik erfolgen kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Leistungswandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
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Erfindungsgemäß wird das Komparatorsignal mit einer variablen Frequenz so generiert, dass seine obere Frequenzgrenze, d. h. die höchste Frequenz des Komparatorsignals, über der Filtereckfrequenz und unterhalb der Ansteuerfrequenz liegt. Somit liegt die Frequenz des Komparatorsignals zwischen der Filtereckfrequenz und der Ansteuerfrequenz. Die Signale können sich dadurch nicht gegenseitig beeinflussen, wodurch die Regelung des Leistungswandlers genau und störungsfrei erfolgen kann. Die Komparatorsschaltung und das galvanische entkoppelte Übertragungselement sind Bestandteile eines Reglers, mit dem die oben genannten Anforderungen erfüllt werden können. Der erfindungsgemäße Regler für einen Leistungswandler kann das Ausgangssignal des Leistungswandlers auch bei extremen Lastwechseln sehr stabil halten. Dabei kann das Komparatorsignal ein pulsweitenveränderliches Digitalsignal darstellen. Dadurch wird eine Unabhängigkeit von der Linearität des Übertragungsmittels erreicht und kann eine einfache Demodulierung in ein Analogsignal nach der Übertragung erfolgen.
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Der Leistungswandler kann einen der Wechselsignalerzeugerschaltung nachgeschalteten Übertrager zur galvanischen Trennung der Leistungsübertragung von einer Primärseite auf eine Sekundärseite aufweisen. Auf diese Weise sind der Leistungswandler und die Rückführung zur Regelung des Leistungswandlers vollständig galvanisch getrennt.
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Die Komparatorschaltung kann auf der Sekundärseite angeordnet sein. Auf diese Weise kann das Ausgangssignal sehr schnell und genau geregelt werden.
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Der Leistungswandler kann einen der Wechselsignalerzeugerschaltung nachgeschalteten Gleichrichter aufweisen und der Filter mit der Filtereckfrequenz kann dem Gleichrichter nachgeschaltet sein. Die Filtereckfrequenz ist die Frequenz, an der der Filter Oberwellen filtert. Durch den dem Gleichrichter nachgeschalteten Filter können demnach dem Gleichsignal überlagerte Schwingungen ausgefiltert werden.
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Durch das Vorsehen eines Gleichrichters kann als Ausgangssignal ein DC-Signal erzeugt werden.
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Die Komparatorschaltung kann einen Komparator aufweisen. Weiterhin kann das Zeitglied zumindest eine Kapazität und einen Widerstand aufweisen und Anschlüsse zu einem Komparatoreingang und einem Komparatorausgang aufweisen. Durch das Zeitglied kann die obere Frequenzgrenze des Komparatorsignals festgelegt werden. Durch das Zeitglied kann eine minimale Dauer der hohen und/oder niedrigen Signalpegel (Pulse) des von der Komparatorschaltung erzeugten Komparatorsignals eingestellt werden. Bei entsprechender Beschattung kann mit einem einzigen Zeitglied die minimale Dauer der Pulse sowohl mit hohem als auch mit niedrigem Signalpegel eingestellt werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Komparatorschaltung einen Komparator aufweist, an dessen einen Eingang, an dem ein mit dem Soll-Wert in Beziehung stehendes Signal zugeführt ist, ein Filter angeschlossen ist. Dadurch kann ein genauer Soll-Wert zugeführt werden.
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Die Komparatorschaltung kann einen Komparator aufweisen, an dessen weiteren Eingang, an dem ein mit dem Ist-Wert in Beziehung stehendes Signal zugeführt ist, ein Spannungsteiler mit Filter angeschlossen ist. Durch den Spannungsteiler mit Filter kann der Ist-Wert genau ermittelt werden.
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Die Komparatorschaltung kann eine statische Hysterese aufweisen. Insbesondere kann die Hysterese kleiner 1% des Ausgangssignals und/oder < 50 mV sein. Durch diese Maßnahme kann schon auf sehr geringe Schwankungen des Ausgangssignals mit einem Pegelwechsel des Komparatorsignals reagiert werden. Die kleine statische Hysterese bedeutet, dass ein Pegelwechsel des Komparatorsignals praktisch unmittelbar beim Über oder Unterschreiten des Soll-Werts durch den Ist-Wert erfolgt. Wenn die Komparatorschaltung durch das Zeitglied über eine Einstellmöglichkeit für eine minimale Dauer eines hohen Signalpegels und/oder eines niedrigen Signalpegels verfügt, um eine Maximalfrequenz zu ermöglichen, entsteht ein getaktetes Ausgangssignal als Komparatorsignal mit variabler Frequenz unterhalb der Maximalfrequenz. Das Tastverhältnis des Komparatorsignals ist ein Maß für die Regelabweichung.
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Vorzugsweise weist die Ansteuerfrequenz Werte auf, die mindestens um den Faktor 36 größer als die Filtereckfrequenz sind, vorzugsweise weist die Ansteuerfrequenz Werte größer 100 kHz und die Filtereckfrequenz Werte kleiner 3 kHz auf. Somit weisen die Ansteuerfrequenz und die Filtereckfrequenz einen ausreichend großen Abstand auf, dass die Maximalfrequenz dazwischen gewählt werden kann und auch noch einen ausreichenden Abstand sowohl zur Ansteuerfrequenz als auch zur Filtereckfrequenz aufweist. Dadurch können gegenseitige Beeinflussungen und Störungen von Signalen vermieden werden.
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Diesem Ziel ist es außerdem förderlich, wenn die obere Frequenzgrenze mindestens um den Faktor 3, insbesondere Faktor 10, größer ist als die Filtereckfrequenz. Außerdem kann die obere Frequenzgrenze um mehr als den Faktor 3, insbesondere Faktor 10, kleiner sein als die Ansteuerfrequenz. Besonders bevorzugt ist es, wenn die obere Frequenzgrenze in einem Bereich 10 kHz bis 100 kHz liegt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Übertragungselement und der Steuerung eine Digital/Analog-Wandler angeordnet ist. Das erzeugte Analogsignal kann der Steuerung zugeführt werden. Das derart erzeugte Analogsignal kann auch für andere Zwecke z. B. für eine Messung oder Überwachung verwendet werden.
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Vorteile ergeben sich, wenn der Digital/Analog-Wandler ein Frequenzgangeinstellmittel umfasst. Das Frequenzgangeinstellmittel kann beispielsweise eine Kapazität, die mit einem Widerstand in Serie geschaltet ist, umfassen. Auf diese Weise ist die Regelung stabil einstellbar.
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Der Digital/Analog-Wandler kann eine Konstantstromquelle und eine gesteuerte Stromquelle umfassen. Die Linearität der Digital/Analog-Wandlung kann dadurch deutlich verbessert werden. Dennoch bleibt die Digital/Analog-Wandlung sehr schnell.
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Das galvanisch entkoppelte Übertragungsmittel kann einen Optokoppler, einen Transformator, eine Kapazität oder dergleichen umfassen. Wenn das Komparatorsignal über einen Optokoppler oder dergleichen übertragen wird, spielen Verstärkungstoleranzen im Gegensatz zur Übertragung von Analogsignalen keine Rolle.
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Die Vorteile der Erfindung liegen in der hohen Genauigkeit und höchsten Dynamik. Dies führt zu einer konstanten Ausgangsspannung auch bei sehr schnellem Lastwechsel, z. B. verursacht durch Pulsen einer durch die Ausgangsspannung versorgten Treiberstufe einer HF-Leistungsstromversorgung, bei gleichzeitiger Unempfindlichkeit gegenüber Toleranzen der galvanisch entkoppelten Übertragungsmittel. Außerdem besteht eine Robustheit gegen Störungen auf dem Übertragungsweg. Deshalb ist der erfindungsgemäße Regler besonders für den Einsatz in gepulsten HF-Leistungsstromversorgungen geeignet, z. B. zur Versorgung von Treibern für als HF-Hochleistungsstromversorgungen mit Schaltverstärkern ausgebildete Leistungswandler, die gepulst betrieben werden. Der erfindungsgemäße Leistungswandler lässt sich einfach und preiswert mit Standardkomponenten aufbauen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Komparatorsignal mit einer variablen Frequenz mit einer oberen Frequenzgrenze, die über der Filtereckfrequenz und unterhalb der Ansteuerfrequenz liegt, erzeugt wird. Dadurch ist eine störungsfreie, genaue, schnelle Regelung der Ausgangsgröße des Leistungswandlers sichergestellt. Der Störungsfreiheit und Entkopplung des Regelsignals kommt es außerdem zu Gute, wenn das Komparatorsignal als digitales Signal übertragen wird und das übertragene Signal in ein analoges Signal gewandelt wird. Dadurch kann das übertragene Signal in üblicher Weise einem Steuerbaustein zugeführt werden und es entsteht auf diese Weise ein Regelkreis. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Frequenzgang des analogen Teils des Reglers eingestellt werden kann. Vorzugsweise weist das Komparatorsignal Pulse auf, wobei die Pulse mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren minimalen Pulsdauer erzeugt werden. Aufgrund der minimalen Pulsdauer ergibt sich eine Maximalfrequenz des Komparatorsignals.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild eines Leistungswandlers;
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2 eine Ausgestaltung einer Komparatorschaltung;
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3a, b Diagramme zur Verdeutlichung der Generierung eines Komparatorausgangssignals;
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4 eine Ausgestaltung eines Digital/Analog-Wandlers mit Frequenzeinstellung.
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Die 1 zeigt einen Leistungswandler 1 mit einer Wechselsignalerzeugerschaltung 10, die zumindest ein schaltendes Element 11 aufweist, welches mit einem Ansteuersignal einer Ansteuerfrequenz angesteuert wird. Das Ausgangssignal der Wechselsignalerzeugerschaltung 10 wird über einen optionalen galvanisch getrennten Übertrager 20 an eine Ausgangsschaltung 30 übertragen, die einen Gleichrichter 31 und einen Filter 32 mit einer Filtereckfrequenz aufweist. An einem Ausgangsanschluss 40 wird ein Ausgangssignal ausgegeben. Ein Regler 50 umfasst eine Komparatorschaltung 60, der ein Ist Wert und ein Soll-Wert zugeführt sind. Durch die Komparatorschaltung 60 wird ein Komparatorsignal generiert, welches über ein galvanisch getrenntes Übertragungsmittel 70 an einen Digital/Analog-Wandler 80 übertragen wird, der das übertragene Signal wiederrum in einen analoges Signal wandelt und einen Frequenzgang für das resultierende Analogsignal einstellt. Das Ausgangssignal des Digital/Analog-Wandlers 80 wird an eine Steuerung 90 gegeben, die das Ansteuersignal für das schaltende Element 11 generiert. Das Ansteuersignal wird also in Abhängigkeit des Komparatorsignals erzeugt, bzw. die Erzeugung des Ansteuersignals und damit das Ansteuersignal wird von dem Komparatorsignal beeinflusst. Wenn sowohl ein galvanisch getrennter Übertrager 20 als auch ein galvanisch entkoppeltes Übertragungsmittel 70 eingesetzt werden, ist die Wechselsignalerzeugerschaltung 10 von dem Filter 32 und der Komparatorschaltung 60 vollständig galvanisch getrennt.
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Die 2 zeigt eine detaillierte Darstellung einer Komparatorschaltung 60. GND wird als Abkürzung für ”Ground” verwendet und soll eine Verbindung mit Bezugsmasse der Schaltung bedeuten. Am Eingang 61 wird der Komparatorschaltung 60 ein Ist-Wert-Signal zugeführt. Das Ist-Wert-Signal entspricht dem Ausgangssignal, welches am Ausgangsanschluss 40 (1) ausgegeben wird. Das Ist-Wert-Signal wird über einen Spannungsteiler, umfassend die Widerstände 101, 102, über einen Widerstand 107 an einen Eingang 108 eines Komparators 118 gegeben, sodass dem Komparator 118 ein (zeitlich veränderlicher) Ist-Wert zugeführt wird. Zusammen mit dem Kondensator 103 bildet der Spannungsteiler einen Filter, der hochfrequente Störungen unterdrücken kann.
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Über einen Eingang 62 wird der Komparatorschaltung 60 ein Soll-Wert-Signal zugeführt. Das Soll-Wert-Signal kann extern vorgegeben werden. Das Soll-Wert-Signal wird über einen Filter, umfassend den Widerstand 105 und den Kondensator 104, und über einen Widerstand 106 an einen zweiten Eingang 109 des Komparators 118 gegeben, sodass dem Komparator 118 ein Soll-Wert zugeführt wird. Im Komparator 118 wird der Ist-Wert mit dem Soll-Wert verglichen. In Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses wird am Komparatorausgang 115 ein Komparatorsignal ausgegeben.
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Ein Zeitglied 110, ist sowohl an den Komparatorausgang 115 als auch an den Komparatoreingang 109 angeschlossen. Das Zeitglied 110, weist im Ausführungsbeispiel eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 111 und einem Widerstand 112 auf, die sowohl an den Komparatorausgang 115 als auch an den Komparatoreingang 109 angeschlossen ist. Der Widerstand 106 ist ebenfalls Bestandteil des Zeitglieds 110. Die Kapazität des Kondensators 104 ist um ein Vielfaches größer ist als die Kapazität des Kondensators 111. Der Komparator 118 weist weiterhin einen Anschluss 114 zur Bezugsmasse GND und einen Anschluss 113 zu einer Versorgungsspannung VCC auf. Das Komparatorsignal wird über einen Widerstand 116 geleitet und am Ausgang 117 der Komparatorschaltung 60 ausgegeben.
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Die Generierung des Komparatorsignals soll anhand der 3a, 3b erläutert werden. In der 3a ist mit der Bezugsziffer 150 eine Linie bezeichnet, die einen Soll-Wert angibt. Dies entspricht beispielsweise einer vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung des Leistungswandlers 1. Die Kurve 151 gibt den Ist-Wert an. Der Ist-Wert 151 liegt zunächst unterhalb des Soll-Werts 150, übersteigt dann diesen, und unterschreitet anschließend wieder diesen, usw.. Wenn nun der Referenzwert 150 zum ersten Mal durch den Ist-Wert 151 überschritten wird, wird das Kompartorsignal 152 auf einen hohen Pegel 153 gesetzt. Wenn anschließend der Ist-Wert 151 den Soll-Wert 150 wieder unterschreitet, wird das Komparatorsignal 152 auf einen niedrigen Pegel 154 gesetzt. Anschließend übersteigt der Ist-Wert 151 den Referenzwert 150, sodass das Komparatorsignal 152 auf einen hohen Pegel 155 gesetzt wird. Bei erneutem Unterschreiten des Soll-Werts 150 wird das Komparatorsignal 152 auf einen niedrigen Pegel 156 gesetzt. Die Zeitdauer zwischen der ersten steigenden Flanke des Komparatorsignals 152 und der zweiten steigenden Flanke des Komparatorsignals ist mit der Periodendauer T1 gekennzeichnet. Die Zeitdauer zwischen der zweiten steigenden Flanke und der dritten steigenden Flanke des Komparatorsignals 152 ist mit T2 bezeichnet. Die Periode T1 ist größer als die Periode T2. Dies bedeutet, dass die der Periode T1 zugeordnete Frequenz niedriger ist als die der Periode T2 zugeordnete Frequenz. Das Komparatorausgangssignal 152 hat demnach eine variable Frequenz.
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In der 3b wird veranschaulicht, dass aufgrund des Zeitglieds 110 ein Maximalwert der variablen Frequenz eingestellt werden kann.
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In der 3b sind wiederum der Soll-Wert 150 und der Ist-Wert 151 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 der Ist-Wert 151 sehr häufig den Soll-Wert 150 über- bzw. unterschreitet. Wenn jedes Mal bei einem Über- bzw. Unterschreiten des Soll-Werts 150 der Pegel des Komparatorsignals 152 geändert würde, würde das Komparatorsignal 152 eine sehr hohe Frequenz aufweisen. Das Zeitglied bewirkt jedoch, dass im vorliegenden Fall der Pegel des Komparatorsignals zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 niedrig gehalten wird. Somit ergibt sich eine Periode T3, die eine relativ niedrige Frequenz bedeutet. Durch das Zeitglied 110 erfolgt eine Rückkopplung des Komparatorsignals 152 auf den nicht invertierenden Eingang des Komparators 118.
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In den 3a und 3b wurde lediglich ein Soll-Wert 150 angegeben. Dies deshalb, da der Komparator 118 eine sehr kleine, quasi zu vernachlässigende statische Hysterese aufweist. Würde der Komparator 118 eine größere Hysterese aufweisen, so würde im Komparatorsignal ein Wechsel von einem niedrigen zu einem hohen Pegel bei Überschreiten des Soll-Werts 150 erfolgen, ein Wechsel von einem hohen zu einem niedrigen Pegel jedoch erst, wenn ein weiterer Soll-Wert, der etwas unter dem Soll-Wert 150 liegt, durch den Ist-Wert unterschritten wird.
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Den 3a, 3b kann man entnehmen, dass das erfindungsgemäß erzeugte Komparatorsignal 152 ein getaktetes Signal bzw. ein digitales Signal ist. Durch das Zeitglied wird die minimale Dauer der Pulse der hohen bzw. niedrigen Signalpegel eingestellt. Im Beispiel wird mit einem Zeitglied 110 die minimale Dauer der Pulse sowohl mit hohem als auch mit niedrigem Signalpegel eingestellt.
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In der 4 ist eine mögliche Ausführungsform des Digital/Analog-Wandlers 80 im Detail dargestellt. Bei dem Digital/Analog-Wandler 80 handelt es sich um einen Digital/Analog-Wandler mit Frequenzgangeinstellung. Am Eingang 81 wird das Komparatorsignal 152 zugeführt. Mit dem Komparatorsignal 152 wird eine gesteuerte Stromquelle 82 angesteuert. Dies wird zunächst mit einem Verstärker 87 verstärkt. In Abhängigkeit des Komparatorsignals 152 wird ein von der steuerbaren Stromquelle 82 auszugebender Strom eingestellt. Weiterhin weist der Digital/Analog-Wandler 80 eine Konstantstromquelle 83 sowie einen Widerstand 84 und einen Kondensator 85 auf. Die Konstantstromquelle 83, der Widerstand 84 und der Kondensator 85 sind in Reihe geschaltet. Die gesteuerte Stromquelle 82 ist an den Verbindungspunkt der Konstantstromquelle 83 mit dem Widerstand 84 angeschlossen. An dieser Stelle wird ein analoges Stellwertsignal über den Ausgang 86 ausgegeben, der wiederum an die Steuerung 90 angeschlossen ist. Die Frequenzeinstellung des analogen Stellwertsignals, welches am Ausgang 86 ausgegeben wird, erfolgt über den Widerstand 84 und dem Kondensator 85.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0103703 A1 [0004]
- US 7649280 [0005]
