DE102012217118A1

DE102012217118A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Last

Info

Publication number: DE102012217118A1
Application number: DE102012217118.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Eue; Philip Fosu Okyere
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-03-27
Also published as: WO2014044551A1; EP2875574A1

Abstract

Zur Ansteuerung einer Last (2), insbesondere zur Ansteuerung von Signalleuchten einer Signalanlage für Schienenfahrzeuge, mittels eines getakteten Spannungswandlers mit zwei eingangsseitig parallel geschalteten und vorzugsweise als Tiefsetzsteller arbeitenden Wandlermodulen (M1, M2), werden diese mittels pulsmodulierten (PWM und/oder PPM) Signalen (S1, S2) derart angesteuert, dass die ausgangsseitig zwischen die Wandlermodulen (M1, M2) geschaltete Last (2) mit zwei gegeneinander um eine halbe Periode versetzten Spannungshalbwellen (Vo1(t), Vo2(t)) unter Bildung einer Wechselspannung versorgt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Last, insbesondere zur Ansteuerung von Signalleuchten einer Signalanlage, vorzugsweise für Schienenfahrzeuge.
Aus der DE 103 53 037 A1 ist ein getakteter Spannungswandler zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors bekannt, wie dieser in Kraftstoffinjektoren moderner Brennkraftmaschinen Verwendung findet. Mittels des getakteten Spannungswandlers wird eine Gleichspannung mit Halbleiterschaltern in eine pulsierende Gleichspannung gewandelt, die mittels eines Energiespeichers, beispielsweise eines Kondensators, in eine kleinere oder größere Spannung umgeformt werden kann. Zur Steuerung oder Regelung der Ausgangsspannung wird das Verfahren der Pulsbreitenmodulation verwendet, indem die Eingangsspannung periodisch unterbrochen und mit variabler Pulsbreite wieder eingeschaltet wird.
Mittels derartiger getakteter Spannungswandler können universelle Schnittstellenbaugruppen für mehrere gleichartige Lasten konstruiert werden. Solche Schnittstellenbaugruppen können auch in der Signaltechnik, insbesondere für Schienenfahrzeuge (Eisenbahnsignaltechnik), zur Ansteuerung von Signalleuchten eingesetzt werden. Dabei können aufgrund der Universalität derartiger Spannungswandler in einfacher Art und Weise die Anforderungen zur Anpassung an verschiedene Anschlussleiterwiderstände sowie einen synchronen Blinkbetrieb und eine Tag-Nacht-Umschaltung realisiert werden.
Ein getakteter Spannungswandler kann jedoch nicht in einfacher Art und Weise eingesetzt werden, wenn eine Last in Form insbesondere derartiger Signalleuchten einer Signalanlage für Schienenfahrzeuge mit einer Wechselspannung und einer Frequenz von z. B. 50 Hz oder 60 Hz betrieben werden soll. Zwar können für diese Anwendungen spezielle, bipolare Spannungswandler eingesetzt werden. Diese sind jedoch sehr kostenintensiv. Auch die Erzeugung von mit Wechselspannung überlagerter Gleichspannung und der Anschluss einer Last über einen entsprechend großen Koppelkondensator sind energetisch nachteilig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren und eine besonders geeignete Vorrichtung zur Ansteuerung einer Last, insbesondere zur Ansteuerung von Signalleuchten einer Signalanlage für Schienenfahrzeuge, anzugeben.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der darauf rückbezogenen Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung einer Last sieht einen getakteten Spannungswandler mit zwei vorzugsweise gleichartigen oder identischen und als Tiefsetzsteller arbeiten Wandlermodulen vor. Diese werden mittels pulsmodulierten Steuersignalen derart angesteuert, dass die ausgangsseitige Last mit zwei gegeneinander um eine halbe Periode versetzten Spannungshalbwellen unter Bildung einer Wechselspannung versorgt wird. Der Begriff Ansteuerung bedeutet hierbei insbesondere auch die Erzeugung einer Versorgungsspannung für die Last. Unter pulsmodulierten Steuersignalen werden pulsweitenmodulierte (PWM) und/oder puls-pausen-modulierte (PPM) Steuersignale verstanden.
Insbesondere für die Anwendung in der Signaltechnik mit einer Anzahl von Signalleuchten als Last wird mittels der beiden gleichartigen Wandlermodule eine sinusförmige Ausgangsspannung erzeugt. Denkbar jedoch ist auch die Erzeugung von anderen Spannungsformen, wie zum Beispiel Dreieckspannungen oder Trapezspannungen sowie eine Gleichspannung mit überlagerter Wechselspannung.
Geeigneterweise wird während der Erzeugung der Spannungshalbwellen mittels jeweils eines der beiden Wandlermodule der ausgangsseitige Laststromkreis über das jeweils andere Wandlermodul geschlossen. Hierzu wird das jeweilige Wandlermodul ausgangsseitig zweckmäßigerweise über einen Pfad kurzgeschlossen. In diesen Pfad ist beispielsweise ein steuerbarer Halbleiterschalter, insbesondere ein MOSFET, geschaltet bzw. ist dieser Pfad durch den Halbleiterschalter gebildet. Diese Variante geeignet sich insbesondere im Fall einer diskreten Diode in einem bereits vorhandenen Freilaufpfad.
Gemäß einer bevorzugten Variante werden jedoch Wandlermodule mit gesteuerter Freilaufdiode in Form eines sogenannten Synchron-MOSFET im Freilaufpfad eingesetzt. Der Synchron-MOSFET übernimmt dann auch die Funktion des Kurzschließens des jeweiligen Wandlermodulausgangs, wobei keine diskrete Diode erforderlich ist.
Aus den von den Wandlermodulen erzeugten, zu deren Rückleitern (Minus- oder Null-Volt-Pfad) jeweils positiven Spannungshalbwellen wird vorzugsweise eine Lastspannung mit periodisch positiven und negativen Halbwellen gebildet. Besonders bevorzugt erzeugen die beiden Wandlermodule ausgangsseitig jeweils eine pulsierende Gleichspannung mit um eine halbe Periode versetzten positiven Spannungshalbwellen, aus denen lastseitig eine sinusförmige Ausgangswechselspannung gebildet wird.
Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Die Vorrichtung dient zur Ansteuerung und dabei insbesondere zur Spannungsversorgung einer Last und umfasst einen getakteten Spannungswandler mit zwei eingangsseitig parallel geschalteten Wandlermodulen. Diese arbeiten vorzugsweise als Tiefsetzsteller. Eine Steuer- oder Regeleinrichtung dient zur Ansteuerung der Wandlermodule derart, dass diese ausgangsseitig zwei gegeneinander um eine halbe Periode versetzte Spannungshalbwellen – als sinusförmige Wechselspannung – erzeugen.
Die beiden vorzugsweise identisch aufgebauten Wandlermodule weisen einen positiven Strompfad (Pluspfad) mit einer Reihenschaltung aus einem steuerbaren Halbleiterschalter, insbesondere einem MOSFET, und einer Induktivität sowie einen Bezugspfad (Minuspfad oder Null-Volt-Pfad) auf. An den positiven Strompfad und an den Bezugspfad ist eingangsseitig eine Gleichspannung mit dem Pluspol am positiven Strompfad und dem Minuspol oder Null-Volt-Potential an den Bezugspfad gelegt. Die Last ist ausgangsseitig zwischen die beiden positiven Strompfade der Wandlermodule und somit ausgangsseitig zwischen diese geschaltet. Mit anderen Worten ist die Last somit nicht gegen einen der Bezugspfade (Rückleiter), sondern zwischen die beiden Pluspfad-Ausgänge der Wandlermodule geschaltet. Der Laststromkreis wird geschlossen, indem dasjenige Wandlermodul, das gerade keine Ausgangsspannung erzeugt, seinen Modulausgang kurzschließt, um Strom aufzunehmen.
Die nachfolgend als Regelung bezeichnete Steuer- oder Regeleinrichtung ist zweckmäßigerweise beiden Wandlermodulen gemeinsam und derart betrieben, dass die beiden Wandlermodule abwechselnd positive Halbwellen der gewünschten Frequenz, beispielsweise 50Hz, ausgeben. Hierzu werden die Wandlermodule derart angesteuert, dass dasjenige Wandlermodul, das gerade keine Spannungshalbwellen erzeugt, über einen zwischen den positiven Strompfad und den Bezugspfad geschalteten steuerbaren Halbleiterschalter, insbesondere MOSFET, oder einen Synchron-MOSFET im Freilaufpfad kurzgeschlossen wird und somit den Laststromkreis schließt. Anhängig vom jeweils kurzgeschlossenen Wandlermodul ist die Stromrichtung entgegengerichtet, so dass aus Sicht der Last durch Differenzbildung zwischen den beiden um eine halbe Periode versetzten pulsierenden Gleichspannungen der Wandlermodule eine sinusförmige Ausgangsspannung bereitgestellt ist.
Zur Formung der (positiven) Spannungshalbwellen sowie den dazwischen liegenden Pausen in der zweiten halben Periode ist eine Sollwertvorgabe vorgesehen. Hierzu ist beispielsweise eine Tabelle mit vorgegebenen Sollwerten zur zeitabhängigen Formung der Spannungshalbwellen hinterlegt. Die Regelung steuert anhand eines Vergleichs der ausgangsseitig erfassten Spannungswerte (Istwerte) der Wandlermodule mit den zeitabhängig vorgegebenen Sollwerten die Wandlermodule derart, dass diese ausgangsseitig die gewünschten pulsierenden Gleichspannungen liefern.
Mittels der Regelung können vorteilhafterweise auch die Ausgangsspannungen der Wandlermodule bzw. die Ausgangsspannung des getakteten Spannungswandlers zur Ansteuerung lastseitiger Signalleuchten für eine Tag-Nacht-Umschaltung und für einen synchronen Blinkbetrieb sowie zum Ausgleich von Anschlussleitungswiderständen eingestellt werden. Im Falle der Tag-Nacht-Umschaltung mit unterschiedlichen Helligkeiten oder Helligkeitsgraden der Signalleuchten für den Tagbetrieb und für den Nachtbetrieb wird die Ausgangsspannung des getakteten Spannungswandlers insgesamt verringert, um die Helligkeit der Signalleuchten während der Nacht zu reduzieren. Hinsichtlich des Blinkbetriebs können durch gezielte Ansteuerung der Wandlermodule verschiedene Blinkgeschwindigkeiten der Signalleuchten, insbesondere auch synchron, eingestellt werden.
Zum Ausgleich von Anschlussleitungswiderständen kann die Ausgangsspannung gezielt erhöht werden, so dass an der Last die notwendige Spannung zur Verfügung steht. Beispielsweise durch Hinterlegung einer entsprechend umfangreichen Tabelle mit vorgegebenen Sollwerten zur zeitabhängigen Signal- oder Spannungsverlaufsformung können beispielsweise eine gewünschte oder geforderte Nachtspannung, ein spezielles Blinken, eine Ausgangsspannungserhöhung und eine 50Hz-Sinus-Spannung gleichzeitig bereitgestellt werden.
In den nachfolgend allgemein als Freilaufpfad bezeichneten Strompfad zwischen dem Plus- und Minuspfad jedes der beiden Wandlermodule ist vorzugsweise eine mittels der Steuer- oder Regeleinrichtung (Regelung) gesteuerte Freilaufdiode geschaltet. Um die Verlustleistung möglich gering zu halten, ist als gesteuerte Freilaufdiode ein Synchron-MOSFET im Freilaufpfad beider Wandlermodule eingesetzt, der sich durch einen sehr niedrigen Widerstand im Einschaltzustand auszeichnet. Mittels der gesteuerten Freilaufdiode bzw. dem Synchron-MOSEFT arbeiten die beiden Wandlermodule als Tiefsetzsteller mit Synchrongleichrichtung (Synchronwandler), die üblicherweise zur Erzeugung von Gleichspannungen eingesetzt werden.
Die Steuer- oder Regeleinrichtung (Regelung) erzeugt für die Halbleiterschalter der beiden Wandlermodule anhand des Soll-Ist-Vergleiches ein pulsweitenmoduliertes (PWM) und/oder puls-pausen-moduliertes (PPM) Steuersignal mit einem für die Ausformung der pulsierenden Gleichspannungen bzw. Spannungshalbwellen geeigneten Tastgraden (duty cycle). Anhand des Tastgrades kann auch die Nacht-Helligkeit bzw. die Blinkgeschwindigkeit der oder jeder lastseitigen Signalleuchte einer Signalanlage für Schienenfahrzeuge vorteilhaft und in einfacher Art und Weise eingestellt werden. Die Blinkgeschwindigkeit wird dabei durch zeitgesteuertes Aussetzten (Nichtdurchführen) des Einschaltens der Halbleiterschalter der beiden Wandlermodule erzeugt.
In einer derartigen Signalanlage ist üblicherweise lediglich eine Leitung vorgesehen, da stets alle Leuchten gleichzeitig für die Nacht abgedunkelt werden. Zudem gibt es lediglich eine Leitung für einen gegebenenfalls angeforderten Blinkbetrieb, da ein synchrones Blinken aller blinkenden Leuchten gefordert ist. Sind verschiedene Anschlussleitungswiderstände zu den Signalleuchten vorhanden und müssen diese Widerstände durch unterschiedlich erhöhte Ausgangsspannungen des getakteten Spannungswandlers ausgeglichen werden, so sind für jeden Wandler eine entsprechende Anzahl von Auswahlleitungen zur Auswahl der Erhöhung der Ausgangsspannung erforderlich. Zu den Auswahlleitungen gehören auch Aktivierungsleitungen, die die jeweils aktuell notwendige Ausleuchtung bzw. aktuell notwendige Zustände anfordern, beispielsweise An (ON), Aus (OFF) oder Blinkbetrieb mit 50% ON oder mit 33% ON. Anstelle mehrerer Auswahl- und Aktivierungsleitungen können auch Datenverbindungen serieller Art, Netzwerkverbindungen oder ein serielles Bussystem, beispielsweise der Universal Serial Bus (USB) eingesetzt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung werden zur Ansteuerung einer Last, insbesondere zur Ansteuerung von Signalleuchten einer Signalanlage für Schienenfahrzeuge, ein getakteter Spannungswandler mit zwei eingangsseitig parallel geschalteten Wandlermodulen oder zwei gleichartige getaktete Spannungswandler eingesetzt und diese mittels pulsweiten- und/oder puls-pausen-geregelter Signale derart angesteuert, dass die ausgangsseitig zwischen die Pluspfade der beiden Wandler geschaltete Last mit zwei gegeneinander um eine halbe Periode versetzten Spannungshalbwellen – und hierbei vorzugsweise mit einer sinusförmigen Last- oder Ausgangsspannung – versorgt wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch in einem Schalt- und Blockschaltbild einen getakteten Spannungswandler mit zwei gleichartigen Wandlermodulen sowie einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Ansteuerung der Wandlermodule,
2 den getakteten Spannungswandler gemäß 1, dessen erstes Wandlermodul eine sinusförmige Gleichspannungshalbwelle erzeugt, während das zweite Wandlermodul kurzgeschlossen ist,
3 in einer Darstellung gemäß 2 den getakteten Spannungswandler, dessen zweites Wandlermodul eine sinusförmige Gleichspannungshalbwelle erzeugt, während das erste Wandlermodul kurzgeschlossen ist,
4 die von den beiden Wandlermodulen erzeugten gepulsten Gleichspannungen mit um eine halbe Periode versetzten Spannungshalbwellen sowie die daraus durch Differenzbildung generierte sinusförmige Last- oder Ausgangsspannung, und
5 eine Variante des getakteten Spannungswandlers mit einer diskreten Diode im Freilaufpfad und zusätzlichen ausgangsseitig einem steuerbaren Halbleiterschalter.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur Ansteuerung einer Last 2 in Form vorzugsweise einer oder mehrerer Signalleuchten, mit einem zwei gleichartige Wandlermodule M1 und M2 aufweisenden getakteten Spannungswandler sowie einer nachfolgend als Regelung bezeichneten Steuer- und/oder Regeleinrichtung 3. Unter gleichartigen Wandlermodulen M1 und M2 werden zwei aus gleichen, möglichst identischen elektronischen Bauelementen aufgebaute getaktete Spannungswandler verstanden.
Die beiden Wandlermodule M1 und M2 sind eingangsseitig parallel geschaltet, während die Last 2 ausgangsseitig an die jeweiligen Pluspfade (positiven Strompfade) P1 und P2 der beiden Wandlermodule M1 bzw. M2 angeschlossen ist. Die beiden Pluspfade P1 und P2 sind an den mit U_E bezeichneten Pluspol einer Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle angeschlossen, während die Minus- oder Bezugspfade B1 und B2 der beiden Wandlermodule M1 bzw. M2 an das Bezugspotential (0V) der Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.
Das nachfolgend als erstes Wandlermodul bezeichnete Wandlermodul M1 weist im Pluspfad P1 eine Reihenschaltung aus einem Halbleiterschalter T1A in Form eines MOSFET und einer Spule (Induktivität) L1 sowie einen Freilaufpfad F1 zwischen dem Pluspfad P1 und dem Bezugspfad B1 mit einem weiteren Halbleiterschalter T1B in Form wiederum eines Synchrongleichrichter-MOSFET auf. Der Freilaufpfad F1 bzw. der dortige Halbleiterschalter T1B setzt an der Verbindung zwischen dem Halbleiterschalter T1A und der Spule L1 an. Der Synchron- oder Synchrongleichrichter-MOSFET T1B des Freilaufpfades F1 weist einen sehr geringen ohmschen Widerstand im eingeschalteten Zustand auf. Ausgangsseitig ist zwischen den Pluspfad P1 und den Bezugspfad B1 ein Kondensator C1 geschaltet. Die beiden Halbleiterschalter T1A und T1B werden von der Regelung 3 über einen mit deren Steuereingängen (Gate) verbundenen Gate-Treiber G1 angesteuert.
Das nachfolgend als zweites Wandlermodul bezeichnete Wandlermodul M2 ist analog zum ersten Wandlermodul M1 aufgebaut und umfasst im Pluspfad P2 eine Reihenschaltung aus einem Halbleiterschalter T2A in Form eines MOSFET und einer Spule (Induktivität) L2 sowie einen Freilaufpfad F2 zwischen dem Pluspfad P2 – wiederum an der Verbindung zwischen dem Halbleiterschalter T2A und der Spule L2 ansetzend – und dem Bezugspfad B2 mit einem weiteren Halbleiterschalter T2B in Form wiederum eines Synchrongleichrichter-MOSFET. Ausgangsseitig ist zwischen den Pluspfad P2 und den Bezugspfad B2 ein Kondensator C2 geschaltet. Die beiden Halbleiterschalter T2A und T2B werden ebenfalls über einen mit deren Steuereingängen (Gate) verbundenen Gate-Treiber G2 von der Regelung 3 angesteuert.
Den Gate-Treibern G1 und G2 der beiden Wandlermodule M1, M2 werden pulsweitenmodulierte Steuersignale (PWM-Signal) S1 bzw. S2 zugeführt, die von der Regelung 3 erzeugt werden. Hierzu umfasst diese paarweise gleichartig aufgebaute Regelstränge oder -zweige mit dem jeweiligen Wandlermodul M1, M2 zugeordneten Vergleicherbausteinen V_SI1 bzw. V_SI2. Diesen wird der jeweilige aktuelle, ausgangsseitige Spannungswert der beiden Wandlermodule M1, M2 als Istwert V1i, V2i sowie ein zugehöriger Sollwert V1s bzw. V2s zugeführt. Anhand des Soll-Ist-Vergleiches wird mittels eines Bausteins PWM1, PWM2 das PWM-Steuersignal S1 bzw. S2 mit entsprechendem Tastgrad (duty cycle) generiert.
Der jeweilige Sollwert V1s, V2s wird von einer Sollwertvorgabe SV1, SV2 bereitgestellt, die eine Gruppe von Sollwerterzeugern aufweist sowie mindestens die AC-Bausteine ACn enthält, und in der die zeitabhängigen Spannungswerte der Ausgangsspannungen der Wandlermodule M1 bzw. M2 beispielsweise tabellarisch hinterlegt sind. Zur Abgabe einer Wechselspannung an die Last 2 ist nur der AC-Baustein AC1, AC2 als Sollwerterzeuger von Belang.
Um eine universelle Einsetzbarkeit dieser Module im Bereich der Eisenbahnsignaltechnik zu erzielen, sind weitere Sollwerterzeuger, nämlich ein Blinksynchronisationsbausteins BL1, BL2, ein Tag-Nacht-Bausteins TN1, TN2, ein Leitungsanpassungsbaustein LA1, LA2 und ein DC-Baustein DC1, DC2 in der Sollwertvorgabe SV1 bzw. SV2 vorgesehen.
Anhand der vorgegebenen zeitabhängigen Sollwert V1s, V2s wird die Last- oder Ausgangsspannung Vo1(t) und Vo2(t) der Wandlermodule M1, M2 durch geregeltes Ein- und Ausschalten deren Halbleiterschalter T1A bzw. T2A eingestellt. Innerhalb der Periodendauer t_p schaltet der jeweilige Halbleiterschalter T1A, T2A nur für die Einschaltdauer t_e, so dass für die Ausschaltdauer t_a die Beziehung d = t_e/t_p = t_e/(t_e + t_a) gilt, wobei d der Tastgrad (duty cycle) ist.
In der Literatur wird die Regelung der Ausgangsspannung eines derartigen Wandlermoduls oftmals als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet. Sprachlich eng ausgelegt bedeutet dies, dass die Einschaltdauer t_e auf Kosten der Ausschaltdauer t_a vergrößert oder verkleinert wird. Ebenso ist es möglich und technisch zweckmäßig, in bestimmten Ausgangsspannungsbereichen zusätzlich oder alternativ die Einschaltdauer t_e unverändert zu belassen und die Ausschaltdauer t_a (Pausendauer) und damit die Periodendauer t_p zu vergrößern und zu verkleinern. Die vorliegende Regelung kann somit eine Pulsweitenmodulation (PWM), eine Puls-Pausen-Modulation (PPM) oder eine Mischform von PWM und PPM sein.
Während der Einschaltdauer t_e ist der Halbleiterschalter T1B, T2B des jeweils aktiven und die positiven Spannungshalbwellen bzw. die pulsierende Gleichspannung Vo1(t), Vo2(t) erzeugenden Wandlermoduls M1 bzw. M2 gesperrt und der Strom fließt über die Last 2, während der Spulenstrom in der Spule L1, L2 ansteigt. Mit größer werdender Einschaltzeit t_e steigt die Ausgangsspannung Vo1(t), Vo2(t) an. Während der Ausschaltzeiten t_a fließt einerseits vom Kondensator C1, C2 durch dessen Entladung und andererseits durch den Freilaufpfad F1, F2 – ermöglicht durch den Abbau des magnetischen Feldes in der Spule (Induktivität) L1, L2 – der Laststrom I_L weiter.
Mittels der Halbleiterschalter T1B, T2B im jeweiligen Freilaufpfad F1, F2 anstelle einer Diode werden die als Tiefsetzsteller arbeitenden Wandlermodule M1, M2 zu Synchrongleichrichterwandlern, deren Halbleiterschalter T1B bzw. T2B von der Regelung 3 sowie den Gate-Treibern G1, G2 synchron, jedoch gegenphasig zu den Halbleiterschaltern T1A, T2A im jeweiligen Pluspfad (positiven Strompfad) P1, P2 angesteuert werden.
Sobald beispielsweise der Halbleiterschalter T1A dessen Einschaltphase beendet hat, wird der Halbleiterschalter T1B des Wandlermoduls M1 aktiviert, um einen verlustleistungsarmen Freilaufpfad für die Spule (Induktivität) L1 zu bilden. Sobald das magnetische Feld in der Spule L1 abgebaut ist, wird der Halbleiterschalter (Synchrongleichrichter) T1B erneut gesperrt. Die gegenphasige Ansteuerung der Halbleiterschalter T1A und T1B bzw. T2A und T2B erfolgt üblicherweise mit einer Frequenz von mehreren kHz, damit die vorgegebenen Sollwerte zur zeitabhängigen Formung der Spannungshalbwelle zu einer entsprechend feinstufigen Ausformung der Ausgangsspannung führen.
Die erfindungsgemäßen Soll-Ist-Vergleicherbausteine V_SI1, V_SI2 sind nicht darauf beschränkt, in Phasen einer Soll-Ausgangsspannung mit 0V vergleichsweise passiv die Abgabe von Aktivierungssignalen an die Halbleiterschalter T1A, T2A im Pluspfad zu unterdrücken. Eine Ausgangsspannung von 0V wird vielmehr aktiv durch Kurzschluss, vorzugsweise durch Einschalten der Halbleiterschalter (Synchrongleichrichter) T1B, T2B erzwungen.
Anstelle der Ausführungsform gemäß 1 mit Synchrongleichrichter-Halbleiterschaltern T1B, T2B – und somit der bevorzugten Synchrongleichrichterwandler-Technik – kann gemäß 5 zu diesem Zweck jeweils ein Halbleiterschalter T1B‘, T2B‘ zwischen den Pluspfad (positiver Strompfad) P1, P2 und den Minus- oder Bezugspfad B1, B2 zusätzlich zu einer diskreten Diode D1, D2 im Freilaufpfad F1 bzw. F2 hinzugefügt werden.
Die 2 und 3 zeigen die Vorrichtung 1 ohne Regelung 3 und mit den Wandlermodulen M1 und M2 in unterschiedlichen Schaltzuständen. So zeigt 2 den über das zweite Wandlermodul M2 geschlossenen und mit I_L(+) bezeichneten Laststromkreis, während das erste Wandlermodul M1 die in 4 links oben gezeigten sinusförmigen, pulsierenden Halbwellen Vo1(t) erzeugt. Hierzu sind die Halbleiterschalter T1A und T1B des Wandlermoduls M1 über den Gate-Treiber G1 mittels des PWM-Steuersignals S1 derart angesteuert, dass mit der geregelten Änderung des Tastgrades (duty cycle) die vorgegebenen Sollwerte zur zeitabhängigen Formung der Spannungshalbwelle zu einer entsprechenden Ausformung der Ausgangsspannung an der Last 2 führen. Während der Abgabe jeder einzelnen sinusförmigen Gleichspannungshalbwelle durch das erste Wandlermodul M1 ist der Freilaufpfad F2 des zweiten Wandlermoduls M2 ununterbrochen durchgeschaltet, so dass sich der mit I_L(+) bezeichneten Laststromkreis ergibt.
3 zeigt die analoge Situation, in der das zweite Wandlermodul M2 die in 4 links unten gezeigte pulsierende Gleichspannung Vo2(t) generiert, deren positiven Spannungshalbwellen gegenüber denjenigen der pulsierenden Gleichspannung Vo1(t) des ersten Wandlermoduls M1 um eine halbe Periode versetzt sind. Der mit I_L(–) bezeichnete Laststromkreis ist nun über das erste Wandlermodul M1 geschlossenen, während das zweite Wandlermodul M2 die in 4 links unten gezeigten halbsinusförmigen Gleichspannungshalbwellen Vo2(t) erzeugt. Während der Abgabe jeder einzelnen sinusförmigen Gleichspannungshalbwelle durch das zweite Wandlermodul M2 ist der Freilaufpfad F1 des ersten Wandlermoduls M1 ununterbrochen durchgeschaltet, so dass sich der mit I_L(–) bezeichnete Laststrom oder Laststromkreis ergibt.
Aufgrund des zum Laststrom I_L(+) gemäß 2 entgegengerichteten Laststroms I_L(–) gemäß 3 ist aus Sicht der Last 2 durch Differenzbildung gemäß 4 rechts eine insgesamt sinusförmige Ausgangs- oder Lastspannung Vo(t) = Vo1(t) – Vo2(t) bereitgestellt. Aus Sicht der Last bzw. Signalleuchte 2 ist somit ein Polaritätswechsel der vom zweiten Wandlermodul M2 erzeugten pulsierenden Gleichspannung Vo2(t) vorhanden. Das Anschalten der Last 2 zwischen die Pluspfade P1 und P2 der Wandlermodule M1 und M2 sowie das zeitrichtige Aktivieren der gesteuerten Freilauf-Halbleiterschalter T2B und T1B im aktuell keine Leistung abgebenden Wandlermodul M2 bzw. M1 ermöglicht somit die Bereitstellung einer sinusförmigen Wechselspannung Vo(t) mit einer gewünschten Frequenz von beispielsweise 50Hz.
Darüber hinaus können mittels der Regelung 3 die beiden als Tiefsetzsteller mit Synchrongleichrichtung arbeitenden Wandlermodule M1 und M2 in einfacher sowie zuverlässiger Art und Weise für einen Blinkbetrieb einer oder mehrerer Signalleuchten 2 einer Signalanlage für Schienenfahrzeug und deren Tag-Nacht-Umschaltung mit unterschiedlichem Helligkeitsgrad erreicht werden. Auch können zur Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten der Signalanlage, insbesondere unterschiedlicher Anschlussleitungswiderstände zu der Signalleuchte bzw. den Signalleuchten, durch entsprechende Auswahl A unterschiedliche Soll-Ausgangsspannungen der Regelung 3 aktiviert werden.
Hierzu kann mittels eines Blinksynchronisationsbausteins BL1, BL2 der Sollwertvorgabe SV1 bzw. SV2 der Regelung 3 ein gewünschter Blinkzustand An (y) oder Aus (n) und eine gewünschte Blinkgeschwindigkeit der lastseitigen Signalleuchte 2 vorgegeben werden. Zudem dient ein Tag-Nacht-Baustein TN1, TN2 der Sollwertvorgaben V1s bzw. V2s zur Vorgabe der geminderten Helligkeit der Signalleuchte 2 bei Nacht im Rahmen einer geforderten Tag-Nacht-Umschaltung.
Weiterhin dient ein Leitungsanpassungsbaustein LA1 bzw. LA2 zur wahlweisen Erhöhung der Ausgangsspannung, um trotz Anschlussleitungswiderständen an der Signalleuchte die notwendige Betriebsspannung zu erzielen. Die vorgenannte Gruppe von Sollwerterzeugern, einschließlich des AC-Bausteins AC1 bzw. AC2, können gleichzeitig aktiv sein und die Erzeugung der Ausgangsspannung beeinflussen. Eine beispielsweise mit 50Hz Wechselspannung zu betreibende Signalleuchte könnte aktuell auf Nachtspannung geschaltet und blinkend aktiviert sein, während die Ausgangsspannung grundsätzlich zum Ausgleich von Anschlussleitungswiderständen um 10% erhöht ist.
Damit diese Wandlermodule M1, M2 alle Anforderungen der Eisenbahnsignaltechnik zur Ansteuerung von Signalleuchten erfüllen können und nicht auf die Erzeugung einer Wechselspannung eingegrenzt werden, ist vorzugsweise noch ein DC-Baustein DC1, DC2 in der Regelung 3 vorgesehen. Die Sollwertvorgaben der DC-Bausteine DC1 bzw. DC2 werden alternativ zu den Sollwertvorgaben der AC-Bausteine AC1 bzw. AC2 ausgewählt, wenn im jeweiligen Anwendungsfall die Signalleuchten mit Gleichspannung betrieben werden.
5 zeigte eine Variante der Wandlermodule M1 und M2 mit anstelle eines Synchrongleichrichter-MOSFET im Freilaufpfad F1 bzw. F2 jeweils einem ausgangsseitigen Halbleiterschalter T1B‘ und T2B‘ in Form wiederum vorzugsweise eines MOSFET zusätzlich zu einer diskreten Diode D1 bzw. D2 zwischen dem jeweiligen Pluspfad P1, P2 und dem jeweiligen Minus- oder Bezugspfad B1 bzw. B2. Erkennbar weisen die Gate-Treiber G1, G2 der Wandlermodule M1 bzw. M2 einen ersten Anschluss A11, A21 und einen zweiten Anschluss A12, A22 auf. Der jeweils erste Anschluss A11, A21 ist wiederum – analog zu den 1 bis 3 – an den jeweiligen PWM-Baustein PWM1 bzw. PWM2 angeschlossen. Der jeweils zweite Anschluss A12, A22 ist an den jeweiligen Soll-Ist-Vergleicherbaustein V_SI1 bzw. V_SI2 angeschlossen.
Der PWM-Baustein PWM1, PWM2 steuert über den jeweiligen Gate-Treiber G1, G2 den Halbleiterschalter T1A, T2A des Wandlermoduls M1 bzw. M2. Der Vergleicherbaustein V_SI1, V_SI2 steuert über den Gate-Treiber G1, G2 den Halbleiterschalter T1B‘, T2B‘ der Wandlermodule M1 bzw. M2 zur Herstellung des jeweiligen Kurzschlusses gemäß den 2 und 3.
Demgegenüber steuert bei der Ausführungsform nach den 1 bis 3 der jeweilige PWM-Baustein PWM1, PWM2 über den entsprechenden Gate-Treiber G1, G2 beide Halbleiterschalter T1A, T1B bzw. T2A, T2B, da die Halbleiterschalter T1B, T2B Synchrongleichrichter sind und zeitrichtig die bei der Ausführungsform nach den 1 bis 3 nicht vorhandene Diode D1, D2 ersetzt. Hier steuert der Soll-Ist-Vergleicherbaustein V_SI1, V_SI2 über das jeweilige Gate-Drive G1, G2 ebenfalls den Synchrongleichrichter-Halbleiterschalter T1B bzw. T2B und verursacht den Kurzschluss, während der jeweilige PWM-Baustein PWM1, PWM2 zu dieser Zeit ruht, da keine Spannung abzugeben ist.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
So kann die Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle insgesamt mit umgekehrter Polarität angeschlossen sein. Für alle Halbleiterschalter T1A, T1B, T2A und T2B können auch solche Typen eingesetzt werden, die für die andere Polarität geeignet sind. Die Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle kann insgesamt mit umgekehrter Polarität angeschlossen sein, und alle Halbleiterschalter T1A, T1B, T2A und T2B können entgegen der Darstellungen in 1 bis 3 mit vertauschtem Drain- und Source-Anschluss verwendet werden.
Auch kann eines der Wandlermodule M1 oder M2 mit umgekehrter Polarität an die Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle angeschlossen und mit den dafür geeigneten Halbleiterschaltern versehen werden. Zudem kann eines der Wandlermodule M1 oder M2 mit umgekehrter Polarität an die Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle angeschlossen sein, und die darin verwendeten Halbleiterschalter werden mit vertauschtem Drain- und Source-Anschluss angeschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Ansteuervorrichtung
2: Last/Signalleuchte
3: Steuer-/Regeleinrichtung
A: Auswahl
A11, 21: Gate-Treiber-Anschluss
A21, 22: Gate-Treiber-Anschluss
AC1, 2: Sollwerterzeuger/AC-Baustein
B1, 2: Bezugspfad
BL1, 2: Sollwerterzeuger/Blinksynchronisationsbaustein
C1, 2: Kondensator
DC1, 2: Sollwerterzeuger/DC-Baustein
F1, 2: Freilaufpfad
G1, 2: Gate-Treiber
LA1, 2: Sollwerterzeuger/Leitungsanpassungsbaustein
I_L: Laststrom
I_L(±): Lastromkreis
L1, 2: Induktivität/Spule
M1, 2: Wandlermodul
P1, 2: Pluspfad
PWM1, 2: PWM-Baustein
S1, 2: PWM-/Steuersignal
SV1, 2: Sollwertvorgabe
T1A: Halbleiterschalter
T2A: Halbleiterschalter
T1B: Halbleiterschalter (Synchrongleichrichter-MOSFET)
T2B: Halbleiterschalter (Synchrongleichrichter-MOSFET)
T1B‘: Halbleiterschalter
T2B‘: Halbleiterschalter
TN1, 2: Sollwerterzeuger/Tag-Nacht-Baustein
U_E: Pluspol/Gleichspannungsquelle
V1i: Istwert
V2i: Istwert
V1s: Sollwert
V2s: Sollwert
V_SI1,2: Vergleicherbaustein
Vo1(t): Spannungshalbwellen/pulsierende Gleichspannung
Vo2(t): Spannungshalbwellen/pulsierende Gleichspannung
Vo(t): sinusförmige Ausgangs-/Lastspannung
t_a: Ausschaltzeit
t_e: Einschaltzeit
t_p: Periodendauer
d: Tastgrad (duty cycle)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10353037 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer Last (2), insbesondere zur Ansteuerung von Signalleuchten einer Signalanlage, mittels eines getakteten Spannungswandlers mit zwei Wandlermodulen (M1, M2), die mittels pulsmodulierten Steuersignalen (S1, S2) derart angesteuert werden, dass die ausgangsseitige Last (2) mit zwei gegeneinander um eine halbe Periode versetzten Spannungshalbwellen (Vo1(t), Vo2(t)) versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Erzeugung der Spannungshalbwellen (Vo1(t), Vo2(t)) mittels jeweils eines der beiden Wandlermodule (M1, M2) der ausgangsseitige Lastromkreis (I_L(+), I_L(–)) über das jeweils andere Wandlermodul (M2, M1) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eines der beiden Wandlermodule (M1, M2) ausgangsseitig über einen Freilauf- oder Strompfad (F1, F2) kurzgeschlossen wird, während das jeweils andere Wandlermodul (M2, M1) die Spannungshalbwellen (Vo2(t), Vo1(t)) erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eines der beiden Wandlermodule (M1, M2) ausgangsseitig über einen steuerbaren Halbleiterschalter (T1B, T2B; T1B‘, T2B‘), insbesondere einen Synchrongleichrichter-MOSFET, kurzgeschlossen wird, während das jeweils andere Wandlermodul (M2, M1) die Spannungshalbwellen (Vo2(t), Vo1(t)) erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus von den Wandlermodulen (M12, M2) erzeugten, insbesondere positiven, Spannungshalbwellen (Vo1(t), Vo2(t)) eine Lastspannung (Vo(t)) mit periodisch positiven und negativen Halbwellen gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der beiden Wandlermodule (M1, M2) ausgangsseitig ein pulsierende Gleichspannung erzeugt, aus denen eine sinusförmige Lastspannung (Vo(t)) gebildet wird.
Vorrichtung (1) zur Ansteuerung einer Last (2), mit einem getakteten Spannungswandler mit zwei eingangsseitig parallel geschalteten, insbesondere als Tiefsetzsteller arbeitenden, Wandlermodulen (M1, M2) mit zwischen diesen geschalter Last (2), und mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) zur Steuerung der Wandlermodule (M1, M2) derart, dass diese ausgangsseitig zwei gegeneinander um eine halbe Periode versetzte Spannungshalbwellen (Vo1(t), Vo2(t)) erzeugen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wandlermodul (M1, M2) einen positiven Strompfad (P1, P2) mit einer Reihenschaltung aus einem steuerbaren Halbleiterschalter (T1A, T2A) und einer Induktivität (L1, L2) sowie einen Bezugspfad (B1, B2) aufweist, wobei die Last (2) ausgangsseitig zwischen die beiden positiven Strompfade (P1, P2) geschaltet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der beiden Wandlermodule (M1, M2) zwischen dem positiven Strompfad (P1, P2) und dem Bezugspfad (B1, B2) einen Strom- oder Freilaufpfad (F1, F2) aufweist, über den während der Erzeugung der Spannungshalbwellen (Vo1(t), Vo2(t)) mittels des jeweils anderen der beiden Wandlermodule (M2, M1) der Laststromkreis (I_L(+), I_L(–)) geschlossen ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strom- bzw. Freilaufpfad (F1, F2) des jeweiligen Wandlermoduls (M1, M2) ein mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) steuerbarer Halbleiterschalter (T1B, T2B; T1B‘, T2B‘), insbesondere ein mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) gesteuerter Synchrongleichrichter-MOSFET (T1B, T2B), geschaltet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) anhand eines Vergleichs der an den Wandlermodulen (M1, M2) ausgangsseitig erfassten Istwerte (V1i, V2i) und eines von einer Sollwertvorgabe (SV1, SV2) erzeugten Sollwertes (V1s, V2s) den Tastgrad eines pulsmodulierten, insbesondere pulsweiten- und/oder puls-pausen-modulierten, Steuersignals (S1, S2) für das jeweilige Wandlermodul (M1, M2) zur Formung der Spannungshalbwellen (Vo1(t), Vo2(t)) einstellt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) einen Sollwerterzeuger (AC1, AC2) zur Formung der Spannungshalbwellen (Vo1(t), Vo2(t)) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12 zur Ansteuerung von Signalleuchten (2) einer Signalanlage für Schienenfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) einen Sollwerterzeuger (TN1, TN2) für eine Nacht-Helligkeit, einen Sollwerterzeuger (BL1, BL2) für eine synchronisierte Blinkgeschwindigkeit und/oder einen Sollwerterzeuger (LA1, LA2) für eine Erhöhung der Ausgangsspannung zum Ausgleich von Anschlussleitungswiderständen der oder jeder Signalleuchte (2) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch mindestens eine Auswahlleitung (A) zur Aktivierung eines oder mehrerer Sollwerterzeuger (AC1, AC2; TN1, TN2; BL1, BL2; LA1, LA2).