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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Schaltnetzteilvorrichtung, insbesondere eine DC-DC-Schaltnetzteilvorrichtung zum Umsetzen eines eingespeisten Gleichspannungseingangssignals in ein stromgeregeltes bzw. mit einem Konstantstrom versehenes Gleichspannungs-Ausgangssignal. Eine derartige Vorrichtung wird zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern wie etwa LEDs oder zur Ladung von Akkumulatoren verwendet.
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Aus der
DE 10 2012 111 853 A1 der Anmelderin ist eine Schaltnetzteilvorrichtung bekannt, welche ein Wechselspannungseingangssignal in ein Konstantstrom- bzw. stromgeregeltes Gleichspannungsausgangssignal umsetzt und zu diesem Zweck primärseitig eines Übertragers eine LLC-Schaltnetzteiltopologie in ansonsten bekannter Weise realisiert. Die primärseitig vorgesehenen Resonanz-Wandlermittel werden von mittels eines integrierten Schaltungsbausteins realisierten Ansteuermitteln angesteuert, wobei diese Ansteuermittel eine Stromregelung des Ausgangsstroms auf einen geeigneten Vorgabewert bewirken und gleichzeitig, in der Art einer Leistungsfaktorkorrektur, mit diesen integrierten Ansteuermitteln, Eingangsstrom und Eingangsspannung aufeinander geregelt werden.
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Eine derartige, primär auf die Verarbeitung eines Wechselspannungs-Eingangssignals bezogene Technologie wie in der
DE 10 2012 111 853 A1 der Anmelderin offenbart, eignet sich prinzipiell auch zur DC-DC-Konversion. Die
5 zeigt als Ausschnitt aus dieser zum Stand der Technik herangezogenen Druckschrift (auch dort
5) die prinzipielle Funktionsweise eine DC-DC-Konversion mit LLC-Topologie: Ein (im Fall der
DE 10 2012 111 853 A1 an einem vorgeschalteten Gleichrichternetzwerk anliegendes) Wechselspannungs-Eingangssignal
1 liegt über Eingangsanschlüssen
2,
3 und einem Siebkondensator
4 an einer LLC-Wandlerstufe an, welche in ansonsten bekannter Weise ein Paar von Schalttransistoren (HS = Highside
6, LS = Lowside
7) vorsieht, welche über eine Treiberschaltung
5 (in der
5 lediglich schematisch gezeigt) angesteuert werden. Zusammen mit den Resonanzkondensatoren
8 bzw. der Induktivität
9 wird das Serienresonanz-Wandlerprinzip realisiert, dergestalt, dass eine Aufteilung des in der Induktivität fließenden Stroms I-PRIM10 in ein Paar von Gleichrichterzweigen
14 erfolgt und das resultierende DC-Ausgangssignal
16 über einem Siebkondensator
15 abfällt. Exemplarisch ist eine LED
17 als Last gezeigt; üblicherweise werden derartige Leuchtmittel als Reihenschaltung mit einer typischen kumulierten Sperrspannung von ca. 40 Volt strangweise vorgesehen und mit einer entsprechenden Ausgangsspannung beschaltet.
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Als aus dem Stand der Technik bekannt ist es ferner vorauszusetzen, eine derartige, exemplarisch in 5 lediglich (bezogen auf die Last) einkanalige Konfiguration auch mehrkanalig auszugestalten – typischerweise würde hierzu etwa mittels eines Drosselnetzwerkes der Strom aus der Primärdrossel 9 geeignet auf ausgangsseitige Zweige aufgeteilt werden, welche dann jeweils eigene Gleichrichter (Gleichrichterpaare 14) bzw. Resonanzkondensatoren 8 aufweisen.
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Allerdings besteht ein grundlegender Nachteil des in 5 gezeigten Schaltnetzteilprinzips (ein- oder mehrkanalig) dahin, dass der (jeweilige) ausgangsseitige Zweig kein festes Bezugspotenzial besitzt; vielmehr bestimmt sich die Ausgangsspannung über dem ausgangsseitigen Siebkondensator 15 als Relativpotenzial an den ausgangsseitigen Polen des LLC-Wandlers. Wird jedoch in einem typischen DC-DC-Einsatzkontext, wie etwa einer Batteriespannungsversorgung als Eingangssignal und einer Mehrzahl von mehrkanalig ausgangsseitig vorzusehenden Verbrauchern, eine klar definierte Steuer- oder Regelbarkeit der Verbraucher gewünscht, ist dies mit der in 5 gezeigten Konfiguration (auch in mehrkanaliger Weiterbildung) nur schwierig und mit deutlich erhöhtem Aufwand zu realisieren – dies gilt insbesondere etwa für eine Aufgabenstellung, mehrkanalig eine (über die jeweiligen Kanäle) homogene Dimmung der Leuchtmittellasten in einem technischen Beleuchtungskontext zu erreichen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine DC-DC-Schaltnetzteilvorrichtung zu schaffen, welche, insbesondere auch bei einer Realisierung mit einer Mehrzahl ausgangsseitiger Verbraucherstränge und dort vorzusehender elektrischer Verbraucher, definierte ausgangsseitige Bezugspotenziale ermöglicht (insbesondere auch bezogen auf ein eingangsseitiges DC-Spannungssignal).
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Ferner ist eine derartige DC-DC-Schaltnetzteilvorrichtung zu schaffen, welche an beliebige Spannungsverhältnisse des Eingangssignals relativ zum Ausgangssignal anpassbar ist bzw. eine einfache Konfiguration und Realisierung mit geringem schaltungstechnischen Aufwand ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch die Schaltnetzteilvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung Schutz beansprucht für eine Verwendung einer derartigen DC-DC-Schaltnetzteilvorrichtung zum bevorzugt mehrkanaligen Betreiben von LED-Leuchtmitteln als Verbraucher und/oder zum Speisen oder Laden von Batteriemitteln, um so insbesondere etwa in einem Fahrzeug- bzw. Automobilkontext die Grundlage für effektive Ladegeräte zu schaffen.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft erreicht die DC-DC-Schaltnetzteilvorrichtung der vorliegenden Erfindung diese Lösung durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Übertragers, der das sekundärseitige Gegentaktsignal erzeugt (welches dann in ansonsten bekannter Weise für das DC-Ausgangssignal gleichgerichtet und gesiebt wird), wobei dieser Übertrager erfindungsgemäß so beschaltet ist, dass primär- und sekundärseitig des Übertragers ein gemeinsames Bezugspotenzial realisiert ist. In der praktischen Umsetzung dieses Erfindungsmerkmals ist damit ein Eingangspol des Übertragers durchgeschleift zum Ausgangspol, so dass das (bezogen auf den Übertrager) primärseitige Netzwerk der DC-DC-Schaltnetzteilvorrichtung das selbe Bezugspotenzial (etwa Masse) besitzt, wie das ausgangsseitige Netzwerk.
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In der praktischen Realisierung und vorteilhaft die Erfindung weiterbildend hat es sich dabei als bevorzugt herausgestellt, den Übertrager als sogenannten Auto- bzw. Spartransformator zu realisieren; eine derartige Baugruppe realisiert auf einfache, kostengünstige und wirksame Weise den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, den Übertrager als Symmetrieübertrager auszugestalten, an welchem mittels eines Mittenabgriffs dann das Gegentaktsignal für die ausgangsseitige Weiterverarbeitung abgegriffen werden kann.
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Auch ermöglicht insbesondere eine Realisierung des Übertragers als Auto- bzw. Spartransformator eine konstruktiv einfache und damit günstige Anpassung an eine große Spanne von erfindungsgemäß verarbeitbaren Spannungsverhältnissen zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung: So eignet sich etwa in erfindungsgemäß günstiger Weise ein symmetrischer Mittenabgriff für das (komplementäre) Gegentaktsignal mit günstigem Wirkungsgrad der Schaltung insbesondere dann, wenn im Betrieb die Ausgangsspannung kleiner als die Hälfte der Eingangsspannung ist, im Idealfall die Ausgangsspannung etwa die Hälfte der Eingangsspannung beträgt oder geringfügig darunter liegt. Ist jedoch die Ausgangsspannung deutlich kleiner als die Eingangsspannung, etwa im Fall einer (relativ zum Spannungserfordernis am Verbraucher hohen DC-Speisespannung, wie etwa im Bahnverkehr) ist es weiterbildungsgemäß vorgesehen und bevorzugt, das Gegentaktsignal an einem Abgriff der primärseitigen Wicklung des Übertragers abzunehmen und den Übertrager entsprechend auszugestalten; in der Art einer Herab-Transformation würde damit der Übertrager primärseitig eine gekoppelte Wicklung für die Einspeisung erhalten, mit der vorteilhaften Wirkung, dass die geschalteten Ströme kleiner sind und die Schaltung effizienter wird. Dabei stellen die beanspruchten Grenzen von 10% bzw. 20% lediglich exemplarische und in der Umsetzung günstige Ausgestaltungen dar; so könnte sich diese Konfiguration auch schon bei 30% oder 40% (wieder bezogen auf die hälftige Eingangsspannung) anbieten, ebenso wie in der konkreten Realisierung, auch unabhängig von diesen Varianten, von 1:1 abweichende Übertrager-Teilungsverhältnisse gewählt werden können.
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Für den gegenteiligen Betriebsfall, in der Art einer Herauf-Transformation für das Gegentaktsignal, würde für Ausgangsspannungen, welche größer als die Hälfte der Eingangsgleichspannung sind, der Übertrager primärseitig an einem Abgriff der Primärwicklung eingespeist und weist zu diesem Zweck eine entsprechende Konfiguration auf.
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Erfindungsgemäß weiterbildend ist es zudem vorgesehen, die DC-DC-Schaltnetzteilvorrichtung mit Hilfe von Teilerstufen in eine Mehrzahl von Kanälen aufzuteilen, wobei diese Teilerstufen jeweils einen Transformator mit vier gekoppelten Wicklungen in Form von zwei Drosselpaaren aufweisen. Weiterbildungsgemäß würde auf diese Weise etwa, dem erfindungsgemäßen Übertrager und dem von diesem erzeugten Gegentaktsignal nachgeschaltet, eine erste Teilerstufe bestehend aus zwei Drosselpaaren und, kaskadiert nachgeschaltet, jeweils wieder ein Transformator einer zweiten Teilerstufe eine insgesamt vier-kanalige Ausgangsseite der Schaltnetzteilvorrichtung mit entsprechender Stromaufteilung ermöglichen. Eine diesbezügliche Stromteilertechnologie der Anmelderin ist aus der
DE 10 2010 010 235 B9 der Anmelderin bekannt und gilt im Hinblick auf verschiedene Teilerstufen, die Realisierung der jeweiligen Transformatoren durch gekoppelte Drosselpaare, Details zur magnetischen Verkopplung und zur Zuordnung zu jeweiligen verbraucherseitigen Strängen als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Offenbarung einbezogen.
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Wiederum weiterbildend für eine derartige, bevorzugt kaskadiert-mehrstufige ausgangsseitige Schaltung zur Realisierung einer Mehrzahl von ausgangsseitigen Verbrauchersträngen ist es, die den jeweiligen Drosseln zuzuordnenden Drosselkerne so auszugestalten, dass mindestens zwei, bevorzugt vier, der Drosselpaare magnetisch voneinander entkoppelt auf einem gemeinsamen Drosselkern vorgesehen sind. Eine derartige Technologie, welche insbesondere unter Aspekten der Großserienfertigung als Planartechnologie realisierbar ist und entsprechend die Drosselwicklungen als Planarwicklungen vorsieht, welche mit entsprechenden planaren Drosselkern-Bauelementen zusammenwirken, ist in der
DE 10 2010 014 281 A1 der Anmelderin offenbart und gilt im Hinblick auf die konkrete konstruktiv-technische Realisierung des/der Drosselkerns/e, der Zuordnung von Wicklungen zu Armen bzw. Schenkeln des/der Drosselkerns/e, Wicklungsrichtungen sowie die Ausgestaltung der Planarwicklungen gleichermaßen als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Offenbarung einbezogen.
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Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung liegt es ferner, die ein- oder mehrkanalig ausgestaltete erfindungsgemäße Schaltnetzteilvorrichtung ausgangsseitig mit Kurzschlussmitteln zu versehen, welche ein vorteilhaftes Dimmen etwa von als LED-Leuchtmittel ausgebildeten Verbrauchern ermöglichen; das weiterbildungsgemäß moduliert getaktete Kurzschließen des Gegentaktsignals zum gemeinsamen Bezugspotential bietet nämlich auf einfache Weise die Möglichkeit einer wirksamen Stromregelung des ausgangsseitigen Verbraucherstroms, wodurch etwa die gewünschte Dimmfunktionalität in konstruktiv einfacher und wirksamer Weise umsetzbar ist. Wiederum ergänzend bzw. unabhängig davon liegt eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung darin, einem jeweiligen Verbraucherstrang Unterbrecher- bzw. Schaltmittel so zuzuordnen, dass als Reaktion auf eine bevorzugt moduliert getaktete Ansteuerung dieser Unterbrechermittel, im Zusammenwirken mit einer zum (jeweiligen) Verbraucherzweig parallel geschalteten Kapazität, eine taktabhängige Beeinflussung des im Verbraucher-Schaltungszweig fließenden Spitzenstroms erreicht werden kann. Wiederum beim bevorzugten Anwendungsfall des Einsatzes von LED-Leuchtmitteln als Verbraucher führt dies zu der vorteilhaften Funktionalität, geeignet mit Hilfe des so beeinflussten Spitzenstroms eine Farbtemperatur der Leuchtmittel beeinflussen zu können, besonders wirksam etwa bei Weißlicht-LEDs. Diesbezüglich, ebenso wie im Hinblick auf die weiterbildungsgemäß vorgesehene und vorteilhafte Dimmung mittels moduliert-getaktetem Kurzschlusssignal, gilt die
deutsche Patentanmeldung 10 2012 108 965 der Anmelderin als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Offenbarung einbezogen, insbesondere betreffend die konkrete Realisierung der Dimm- und Unterbrecherschalter, die Steuerung und Konfiguration der Baugruppe zur gepulst-modulierten Ansteuerung dieser Schalter, eingeschlossen des Steuerverhaltens bzw. eines Steueralgorithmus, sowie weiterer Parameter im Zusammenwirken mit konkret zu beeinflussenden Verbrauchern.
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Schließlich liegt es im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung, die im Rahmen der LLC-Funktionalität zur Ansteuerung der Resonanzwandlermittel vorgesehenen Ansteuermittel durch einen integrierten bzw. programmierbaren Schaltungsbaustein zu realisieren, wobei insbesondere das frequenzvariable Steuersignal für die Resonanzwandlermittel als Reaktion auf und in Abhängigkeit vom Gleichspannungs-Eingangssignal, ferner einem primärseitig des Übertragers fließenden Strom sowie ein konstantes und/oder vorbestimmtes Vorgabesignal erzeugt wird, wobei Regelmittel (welche entweder unmittelbar in dem integrierten Schaltungsbaustein integriert oder separat vorgesehen und geeignet zugeordnet sind) eine Regelung des ausgangsseitigen Gleichstromsignals auf das Vorgabesignal bewirken, insoweit eine hochgradig wirksame, betriebssichere und leicht zu realisierende Implementierung des erfindungsgemäßen Prinzips im Rahmen einer Stromregelschaltung umgesetzt werden kann. Weiterbildungsgemäß sind hier wiederum Temperaturerfassungs- und/oder Schnittstellenmittel vorsehbar, so dass geeignet auf Umgebungs- bzw. Betriebsbedingungen reagiert werden kann und/oder eine Einbettung in vorhandene Bus- und Schnittstellensysteme erfolgen kann.
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Während zudem, auch im Rahmen der erfindungsgemäßen Verwendung, eine Realisierung der ausgangsseitigen Last als LED-Leuchtmittel od. dgl. Verbraucher bevorzugt ist, ist gleichwohl die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt. Vielmehr eignet sich die vorliegende Erfindung für beliebige Anwendungskontexte, bei welchen in schaltungstechnisch einfacher und eleganter Weise eine DC-DC-Konversion zu realisieren ist, die für ausgangsseitige Stell- oder Regelzwecke die Vorteile eines definierten (und auch kanalübergreifenden) gemeinsamen Bezugspotentials ermöglichen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1: ein schematisches Schaltbild der Schaltnetzteilvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als einkanaligem DC-DC-Konverter für eine LED-Last;
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2: ein Signaldiagramm zur Verdeutlichung des sekundärseitig vorliegenden Gegentaktsignals in der Schaltung der 1 an den Übertragerwicklungen 12 bzw. 13;
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3: eine Detaildarstellung einer weiterbildungsgemäßen Variante des erfindungsgemäßen Übertragers für hohe Eingangsspannungen relativ zur Ausgangsspannung;
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4: eine Detailansicht einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Übertragers für niedrige Eingangsspannungen relativ zur Ausgangsspannung;
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5: eine Darstellung eines als aus dem Stand der Technik bekannt vorauszusetzenden Konverteransatzes als Ausschnitt aus der
DE 10 2012 111 853 ;
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6. ein mehrkanalig ausgestaltetes zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltnetzteilvorrichtung (Teilansicht mit nur einem Teil des LLC-Wandlers) mit ausgangsseitiger zweistufiger Kaskade aus Teilerstufen zur Realisierung einer vierkanaligen stromgeteilten Ausgangsschaltung;
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7: eine Schemadarstellung zur ausgangsseitigen Ergänzung bzw. Erweiterung der Ausführungsbeispiele der 1 bzw. 6 durch das Vorsehen von für Dimmzwecke getakteten Kurzschlussmitteln bzw. für eine Farbtemperaturbeeinflussung der LED-Last geeignet ansteuerbaren Schaltmitteln im Verbraucherstrang;
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8: ein schematisches Blockschaltbild zur Verdeutlichung des Ansteuerkontexts des vierkanaligen Ausführungsbeispiels der 6 mit weiterbildungsgemäß vorgesehenen Ansteuermitteln und einem zugeordneten Regler zur ausgangsseitigen Stromregelung; und
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9, 10: Ansichten einer Ausgestaltung eines Drosselkern-Bauelements in Planartechnik zur Realisierung der mehrkanalig-kaskadierten Stromteilertechnologie der 6, 8 mittels auf dem Drosselkern (bzw. einem daraus gebildeten Drosselkernpaar) vorzusehender, geeignet entkoppelter Drosselpaare als Stromteilertransformatoren.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele bedeuten identische Bezugszeichen gleiche bzw. äquivalente Bauteile oder Baugruppen, so dass auch ohne deren jeweilige detaillierte Diskussion eine Funktionsweise, wie in einem anderen Kontext bereits offenbart, angenommen werden kann.
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Die 1 zeigt in einkanaliger Darstellung die Schaltnetzteilvorrichtung der vorliegenden Erfindung an einem ersten Ausführungsbeispiel. Es wird deutlich, dass, analog zum Stand der Technik, das DC-Eingangssignal 1 über die LLC-Schalter 6, 7, den Resonanzkondensator 8 und die Induktivität 9 einen eingangsseitigen Strom I-PRIM 10 für den als Autotransformator realisierten Übertrager 11 bereitstellt, der ausgangsseitig ein mittels der Gleichrichterdioden 14 gleichgerichtetes komplementäres Gegentaktsignal erzeugt. Die 2 verdeutlicht die zugehörigen Spannungsverläufe an den jeweiligen oberen Wicklungsknoten der Wicklungen 12 bzw. 13. Dieses Gegentaktsignal wird dann mittels des Siebkondensators 15 geglättet und ermöglicht den DC-Ausgangsstrom 16 im Verbraucherstrang (Lastzweig) durch die LED-Last 17. Deutlich wird, dass zur Realisierung eines primär- und sekundärseitig durchgängigen gemeinsamen Bezugspotentials die Wicklungen 12 und 13 miteinander verbunden sind und der eingangsseitige Masseanschluss 2 bis zur Last durchgeschleift ist. Entsprechend bildet dieser negative Pol 2 das gemeinsame Bezugspotential. Deutlich wird ferner die durch den Autotransformator 11 erreichte Kopplung und gegenläufige Wicklungsrichtung der Wicklungen 12, 13, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel die gleiche Windungszahl für das komplementäre Gegentaktsignal (2) aufweisen.
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Da bei einer üblichen Schaltfrequenz der gezeigten LLC-Topologie im Bereich von ca. 40 kHz (oder höher) lediglich diese Schaltwelligkeit durch den Kondensator 15 auszufiltern ist, aufgrund des DC-Eingangssignals jedoch keine (niederfrequente) Netzfrequenz vorhanden ist, ist vorteilhaft eine lediglich geringe Kondensatorkapazität für das Bauelement 15 erforderlich, typischerweise im Bereich zwischen ca. 1 μF und ca. 100 μF.
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Lastseitig ist symbolisch die LED 17 gezeigt, welche in der Praxis als Reihenschaltung einer Mehrzahl von LED-Leuchtmitteln verwendet wird; gleichzeitig ist diese Last lediglich exemplarisch für eine Vielzahl auch anderer möglicher Lasten zu verstehen, wobei etwa auch eine zu ladende Batterie od. dgl. ein bevorzugter Anwendungsfall ist.
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Die in 1 gezeigte Konfiguration ist insbesondere für Betriebsbereiche vorteilhaft und (im Wirkungsgrad) effizient, wenn die Ausgangsspannung gleich oder kleiner als die Hälfte der Eingangsspannung ist, also gilt UA ≤ UE/2. Dagegen zeigt die 3 eine Variation des Übertragers 11 für den Fall, dass UA << UE/2 gilt, bei nach wie vor günstigem Wirkungsgrad. Vorteilhaft ist hier mit der primärseitigen Wicklung 12 eine weitere Wicklung 18 verbunden, in welche der Primärstrom 10 eingespeist wird. In der Art einer Herunter-Transformation erfolgt so die Spannungsanpassung an die Ausgangsspannung, wobei das Gegentaktsignal wiederum an den Wicklungen 12, 13 abgegriffen wird. Ein derartiger Fall hoher Eingangsspannungen tritt beispielsweise in einer Eisenbahnumgebung auf, bei welcher Batteriespannungen von ca. 110 Volt üblich sind, denen dann 12 Volt- oder 5 Volt-Verbraucher gegenüberstehen.
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Die entgegengesetzte Variante für den Betriebsbereich UA ≥ UE/2 verdeutlicht das Ausführungsbeispiel für den Übertrager 11 in 4. Hier weist die primärseitige Wicklung 12 einen Abgriff für die Einspeisung des Primärstroms 10 auf, so dass in der Art einer Hochtransformation ein günstiger Wirkungsgrad für die hier vorhandenen, relativ niedrigen Eingangsspannungen erreicht werden kann.
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Die
6 zeigt in der ausgangsseitigen Teilansicht ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als mehrkanalige Variante des Grundprinzips der
1. Konkret sind hier mittels Teilertransformatoren
26 (für eine erste Teilerstufe) und
27,
28 (für eine zweite Teilerstufe) Stromteilermittel offenbart, welche, dem erfindungsgemäßen Übertrager
11 nachgeschaltet, eine Aufteilung des sekundärseitigen Stroms in insgesamt vier Verbraucherstränge (Lastzweige für LED-Last 1 bis LED-Last 4) gestatten. Unter Verweis auf die
DE 10 2010 010 235 B9 der Anmelderin, welche weitere Details einer derartigen Stromteilervorrichtung offenbart und im Hinblick auf das erkennbare Stromteilerprinzip und dessen konkrete Realisierung als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Offenbarung einbezogen gelten soll, weist sowohl der Transformator
26 für die erste Teilerstufe, als auch das Transformatorenpaar
27,
28 für die zweite Tellerstufe jeweils ein Paar von zwei gekoppelten Drosselpaaren auf, welche bei einem Übersetzungsverhältnis der Teilerstufen von 1:1 den von der LLC-Stufe gelieferten Strom I-PRIM in gleichgroße Teilströme aufteilen. Im Ergebnis entsteht durch diese zweistufige Kaskade eine Topologie von vier Gegentaktkanälen
29-1 bis
29-4, wobei jeder dieser Gegentaktkanäle zugehörige Gleichrichterdioden
14-N, zugehörige Kondensatoren
15-N und entsprechende LED-Lasten N (N = 1–4) aufweist; in der gezeigten Anordnung der
6 stehen vier gleiche Ausgangsströme für die jeweilige LED-Last zur Verfügung. Diese vierkanalige Konfiguration ist gleichwohl lediglich exemplarisch; beliebige andere Stufigkeiten und Kanalzahlen lassen sich entsprechend der Offenbarung der
DE 10 2010 010 235 B9 realisieren. Hinzuweisen ist auf das gemeinsame gleiche Bezugspotential (hier: Masse 2) für alle Kanäle.
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In dem in der
6 gezeigten Fall der vier Ausgangskanäle ist es weiterbildungsgemäß vorteilhaft, die in den
1 und
2 der
DE 10 2012 108 082 A1 der Anmelderin offenbarte und zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemachte magnetische Baugruppe einzusetzen. Danach sind alle fünf benötigten magnetischen Bauteile, nämlich die Drossel
9, der Autotransformator
11 und die drei Teilertransformatoren
26,
27,
28 in einem planaren Bauteil zusammenfassbar. Die
9 zeigt eine mögliche Ferritkernhälfte eines solchen Bauteils (mit dem Vorteil gegenüber der in der
DE 10 2012 108 082 A1 beschriebenen Baugruppe, keine Netztrennung zu realisieren, so dass keine Mindestschichtdicken sowie Luft- und Kriechstrecken bei der zusammenwirkenden planaren Leiterplatte zu berücksichtigen sind). Auch ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die fehlende galvanische Trennung der Wirkungsgrad des Transformators verbessert.
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Zum Zusammenwirken mit der Ferritkernhälfte der 9 zeigt die 10 die Umrisse einer möglichen Leiterplatte für das gemeinsam zu realisierende planare Bauteil. Die Wicklungen des Autotransformators 11 wären für die konkrete Realisierung um den Ausbruch 51 herum anzuordnen, die der Drossel 9 um den Ausbruch 61 herum, die des Teilertransformators 26 jeweils zur Hälfte um die Ausbrüche 52 mit 53 und 54 mit 55. Die Wicklungen des Teilertransformators 27 sind jeweils zur Hälfte um die Ausbrüche 52 und 53 und die des Teilertransformators 28 jeweils zur Hälfte um die Ausbrüche 54 und 55 herum vorgesehen, so dass in der offenbarten Art keine nachteilige magnetische Beeinflussung der Transformatoren untereinander auftritt.
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In die jeweiligen Ausbrüche der in 10 gezeigten Leiterplatte ragen von jeder Seite die auf dem Ferritkern der 9 (als Hälfte) gezeigten Schenkel; die Schenkel 51a ragen damit von jeder Seite in den Ausbruch 51, die Schenkel 52a ragen in den Ausbruch 52, die Schenkel 61a ragen in den Ausbruch 61 usw.
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Auf diese Weise entsteht dann eine hochgradig kompakte, leistungsfähige und einfach und effizient zu fertigende magnetische Baugruppe, bei welcher lediglich die Schenkel
61a durch entsprechende Höhenreduktion (z. B. durch Schleifen) einen Luftspalt ausbilden. Zur vertieften Offenbarung der Funktionsweise wird verwiesen auf die in die vorliegende Offenbarung einbezogene
DE 10 2012 108 082 A1 .
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Die 7 zeigt exemplarisch für einen Kanal eine Weiterbildung der Ausführungsbeispiele der 1 bzw. 6; als Funktionseinheit 30-N ist das ausgangsseitige Netzwerk der erfindungsgemäßen Schaltnetzteilvorrichtung versehen mit einer Dimmeinheit 31-N bzw. Mitteln 36-N zur Beeinflussung der Farbtemperatur einer jeweiligen LED-Last N (wobei im Gesamtkontext der Buchstabe N als Index für die jeweiligen Kanalzahlen, hier 1 bis 4, steht).
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Die Gegentaktsignale
29-N aus einer jeweils letzten Teilerstufe (bzw. dem Übertrager
11 in einkanaliger Konfiguration der
1) weist die bereits diskutierten Gleichrichterdioden
14-N auf. Diesen vorgeschaltet und auf das Bezugspotential Masse bezogen ist eine Kurzschlussbaugruppe
31-N, bestehend aus einem Paar von Entkoppeldioden
32-N und einem Kurzschlussschalter
33-N, welcher, realisiert etwa mittels eines MOSFET, über einen Signalanschluss
34-N mit einem beispielsweisen PWM-Signal angesteuert wird. Als Reaktion auf diese Ansteuerung und das Durchschalten des Schalters
33-N erfolgt ein entsprechend dem Steuersignal getaktetes bzw. moduliertes Kurzschließen, was in der in der
deutschen Patentanmeldung 10 2012 108 965 beschriebenen Art zu einer Beeinflussung des Ausgangsstroms
16-N und mithin zum Dimmen der hier vorgesehenen LED-Last
17-N führt.
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Zusätzlich ist in den Verbraucherzweig der LED-Last eine Schalteinheit
36-N eingeschleift, welche einen wiederum mittels eines PWM-Signals über einen Steueranschluss
38-N ansteuerbaren (z. B. als MOSFET realisierten) Schalter
37-N aufweist. Im Zusammenwirken mit dem Kondensator
15-N, welcher zum Verbraucherstrang parallel liegt, bewirkt eine gepulste Ansteuerung des Anschlusses
38-N und damit eine (temporäre) Unterbrechung des Ausgangsstroms im Verbraucherstrang eine Beeinflussung des Strommaximums in diesem Schaltungszweig, mit der Wirkung, dass bei geeigneter Einrichtung des (PWM-)Steuersignals an
38-N eine Farbtemperatur der LED-Leuchtmittel
17-N einstellbar ist. Wiederum wird zur diesbezüglichen vertieften Offenbarung verwiesen auf die
DE 10 2012 108 965 der Anmelderin, welche insoweit als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Offenbarung einbezogen gelten soll.
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In der Art einer integrativen Darstellung des Gesamtsystems zeigt die 8, aufbauend auf der Schaltungstopologie von 1 bzw. 6, ein nicht isoliertes, dimmbares und vierkanaliges Gesamtsystem zur DC-DC-Wandlung. Eine Microcontroller-Steuereinheit 40 bewirkt dabei sowohl die Erzeugung der Dimm- bzw. Farbtemperatursignale 34-N, 38-N, s. o., als auch die nachfolgend zu beschreibende Steuerung des Gesamtsystems. Von der Steuereinheit 40 werden über einen parallelen Steuerbus 39 die Schalt- und Überwachungssignale 34-N, 35-N sowie 38-N zu und von den einzelnen ausgangsseitigen Kanälen 30-N gebracht. Auch ist der Steuereinheit 40 eine Schnittstelleneinheit 58 zugeordnet, mit welcher etwa standardisierte Signale 50 von Formaten wie DALI, DMX od. dgl. verarbeitet werden können. Auch bietet die Schnittstelle 58 die Möglichkeit für Statusabfragen an die Steuerung, wie etwa eine an einem betreffenden Ausgangskanal vorherrschende Spannung 35-N (s. 7). Diese Kanalspannung 35-N kann insbesondere auch für eine Spannungsbegrenzungsfunktionalität von der Steuereinheit 40 verarbeitet werden – überschreitet etwa diese Ausgangsspannung 35-N eines betreffenden Kanals einen vorbestimmten Schwellwert, wird der zugehörige Kurzschlussschalter 33-N über das zugehörige Steuersignal 34-N aktiviert, damit der Strom dieses Kanals zum Bezugspotential abgeleitet werden kann und damit verhindert, dass die Ausgangsspannung am Kondensator 15-N weiter ansteigt.
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Auch gibt die Steuereinheit 40 einen Sollwert 41 für eine Stromregeleinheit 42 des von der Leistungsstufe bereitgestellten Summenstroms I-PRIM 10 vor. Dieser Strom I-PRIM 10 wird über geeignete Mittel (Shunt, Stromtrafo od. dgl.) in ein Spannungssignal 43 gewandelt, welches von der Regeleinheit 42 verarbeitet wird. Aufgrund des Gleichspannungscharakters der vorliegenden Technologie ist dieser Sollwert ein Gleichspannungswert.
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Der Reglerausgang 44 der Regeleinheit 42 steuert eine Resonanz-Controllereinheit 45, dessen Ausgangssignal 46 in ansonsten bekannter Weise ein variables Frequenzsignal ist, welches über die Treibereinheit 5 die Schalter 6 bzw. 7 im Rahmen der LLC-Funktionalität ansteuert und damit den Strom I-PRIM 10 einstellt; entsprechend ist der Regelkreis geschlossen.
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Eine Spannungsversorgung der Komponenten erfolgt durch eine Hilfsspannung 48, welche von einer Hilfsspannungs-Erzeugungsschaltung 47 bereitgestellt wird. Die Schaltung 47 wird etwa im Startbetrieb (oder auch bei typischen Eingangsspannungen < 36 Volt bei einer Ausgangsspannung von ca. 12–15 V) direkt aus der Eingangsspannung 3 über einen Widerstand 49 versorgt. Bei höheren Eingangsspannungen 3 und zur Verbesserung des Schaltungs-Wirkungsgrades nach Inbetriebnahme und Hochlauf des LLC-Wandlers kann dagegen die Hilfsspannungsversorgung über eine Hilfswicklung 19 des Autotransformators 11 erfolgen.
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Das Überblicks-Schaubild der 8 zeigt schließlich noch einen Temperatursensor 59, welcher der Steuereinheit 40 zugeordnet ist. Bei Überschreiten eines vorbestimmten Temperaturschwellwerts kann auf diese Weise vorgesehen sein, dass der Stromsollwert 41 und entsprechend der zu regelnde Ausgangsstrom I-PRIM heruntergesetzt wird.
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Während die gezeigten Ausführungsbeispiele die LED-Beleuchtungstechnologie als bevorzugten Anwendungsfall beschreiben, ist gleichwohl die vorliegende Erfindung nicht auf diese bevorzugte Verwendung beschränkt. Vielmehr eignet sich die vorliegende DC-DC-Wandlertechnologie für jegliche Anwendungsfälle, bei welchen eine Gleichspannung zur Verfügung steht, für welche keine galvanische Isolation notwendig ist, und bei welchen idealerweise auch mehrere Kanäle individuell mit einem konstanten Strom beaufschlagt werden sollen. Damit ist insbesondere auch die Fahrzeug- bzw. Kraftfahrzeugtechnologie ein typisches, jedoch nicht ausschließliches Anwendungsgebiet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012111853 A1 [0002, 0003, 0003]
- DE 102010010235 B9 [0013, 0034, 0034]
- DE 102010014281 A1 [0014]
- DE 102012108965 [0015, 0040, 0041]
- DE 102012111853 [0023]
- DE 102012108082 A1 [0035, 0035, 0038]
