DE10221128A1 - Schaltungsanordnung zur Spannungserhöhung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Spannungserhöhung

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Abstract

Für viele Anwendungszwecke ist es erforderlich, hohe Gleichspannungen aus niedrigen zur Verfügung stehenden Spannungen zu erzeugen. Bekannt sind bereits Schaltungsanordnungen, die Resonanzanordnungen zur Erzeugung hoher Resonanzwechselspannungen und Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnungen zur Umsetzung der Resonanzwechselspannungen in hohe Ausgangsgleichspannungen aufweisen. Nachteilig ist hierbei, daß zur Ansteuerung der Resonanzanordnungen Schaltungsmittel benötigt werden, die aufgrund der hohen Amplituden der Resonanzwechselspannungen eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisen müssen. Die neue Schaltungsanordnung soll diesen Nachteil vermeiden. DOLLAR A Die neue Schaltungsanordnung umfaßt eine Resonanzanordnung (2) mit einem Längsstromzweig (20), in dem ein Kondensator (Cr) zu einer Spule (Lr) in Reihe geschaltet ist, sowie eine Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung (1), die über einen im Längsstromzweig zwischen der Spule (Lr) und dem Kondensator (Cr) vorgesehenen Verbindungspunkt oder über eine mit der Spule (Lr) magnetisch gekoppelte weitere Spule (Ls) mit der Resonanzanordnung verbunden ist. Die Resonanzanordnung wird durch eine dem Längsstromzweig zugeführte Oszillatorspannung (Uo) zum Schwingen angeregt. DOLLAR A Ansteuerung von Piezoventilen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungserhöhung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der EP 647 011 A1 bekannt. Diese bekannte Schaltungsanordnung weist eine Resonanzanordnung und zwei der Resonanzanordnung nachgeschaltete Spannungvervielfacher- Gleichrichteranordnungen auf. Die Resonanzanordnung umfaßt einen Parallelschwingkreis und eine zum Parallelschwingkreis in Reihe geschaltete Schaltstufe, die durch ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert wird und damit den Parallelschwingkreis zum Schwingen anregt. Am Verbindungspunkt zwischen der Schaltstufe und dem Parallelschwingkreis entsteht somit durch Resonanzüberhöhung eine hohe Wechselspannung, die den Spannungsvervielfacher- Gleichrichteranordnungen als Eingangssignal zugeführt wird und von diesen in eine hohe positive bzw. negative Ausgangsgleichspannung umgesetzt wird. Der wesentliche Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Schaltstufe aufgrund der an ihr anfallenden hohen Wechselspannung eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisen muß.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Schaltungsanordnung dahingehend zu modifizieren, daß der Schwingkreis auf einfache Weise mit kostengünstigen Schaltungsmitteln zum Schwingen angeregt werden kann.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß weist die Resonanzanordnung der neuen Schaltungsanordnung einen als Serienschwingkreis ausgeführten Schwingkreis mit einem Kondensator und einer dazu in Reihe geschalteten Spule auf. Die der Resonanzanordnung nachgeschaltete Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung ist entweder an einen Verbindungspunkt zwischen der Spule und dem Kondensator oder an eine weitere Spule angeschlossen, welche mit der Spule des Serienschwingkreises einen Transformator bildet. An den Serienschwingkreis wird eine Oszillatorspannung angelegt, um diesen zum Schwingen anzuregen und somit eine hohe Resonanzwechselspannung als Eingangssignal für die Spannungsvervielfacher- Gleichrichteranordnung zu erzeugen. Aus der Schwingung resultieren hohe Wechselspannungen, die jedoch nicht am Schwingkreis selbst sondern an den einzelnen Bauteilen des Schwingkreises an anstehen. Daher sind an die den Schwingkreis ansteuernden Schaltungsmittel keine hohen Anforderungen bezüglich ihrer Spannungsfestigkeit zu stellen. Der Schwingkreis läßt sich somit mit kostengünstigen Schaltungsmitteln ansteuern.
  • Vorzugsweise ist im Serienschwingkreis ein Widerstand zur Begrenzung der von der Resonanzanordnung an die Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung abgegebenen Resonanzwechselspannung vorgesehen. Der Widerstand bewirkt zudem eine Strombegrenzung für die den Serienschwingkreis ansteuernden Schaltungsmittel.
  • Vorzugsweise ist eine in der Frequenz steuerbare Oszillatoranordnung zur Erzeugung der Oszillatorspannung vorgesehen. Die Resonanzwechselspannung und die Ausgangsgleichspannung sind dann auf einfache Weise durch Variation der Frequenz der Oszillatorspannung variierbar.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist die Oszillatoranordnung all Zerhacker ausgeführt, der aus einer Eingangsgleichspannung nach Maßgabe eines oszillierenden Steuersignals eine im Takte des Steuersignals oszillierende Rechteckspannung als Oszillatorspannung erzeugt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist die Oszillatoranordnung als spannungsgesteuerter Oszillator ausgeführt. Die Frequenz eines derartigen Oszillators läßt sich durch den Spannungspegel eines dem Oszillator zugeführten Steuersignals vorgegeben. Damit läßt sich die Schaltungsanordnung auf einfache Weise mit einem Sollwertvergleicher und einem Regelglied zu einem Regelkreis zur Regelung der Ausgangsgleichspannung erweitern. Der Sollwertvergleicher ist dabei zur Ermittlung der Abweichung der Ausgangsgleichspannung von einem vorgegebenen Sollwert vorgesehen und das Regelglied ist zur Erzeugung des den Oszillator ansteuernden Steuersignals aus der vom Sollwertvergleicher ermittelten Abweichung vorgesehen.
  • Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bestehen darin, daß die Schaltungsanordnung einen hohen Wirkungsgrad aufweist, aufgrund des einfachen Aufbaus und der geringen Anzahl von Bauteilen kostengünstig herstellbar ist, eine günstige elektromagnetische Verträglichkeit aufweist und die Erzeugung einer hohen Ausgangsgleichspannung ermöglicht, welche auf einfache Weise durch Variation der Frequenz des Oszillatorsignals verlustarm steuerbar oder regelbar ist.
  • Die Schaltungsanordnung eignet sich bestens zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zur Ansteuerung von Piezoventilen, insbesondere zur Ansteuerung von Piezoventilen in pneumatischen Stellgliedern. Für die Ansteuerungen derartiger Ventile werden hohe Gleichspannungen von ca. 200 V benötigt, die sich mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auf einfache Weise aus einer 12-V-Bordnetzspannung generieren lassen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
  • Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
  • Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Zerhackers zur Erzeugung eines Oszillatorsignals zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung aus Fig. 1 oder 2,
  • Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung,
  • Fig. 5 den Frequenzgang einer mit einem Serienschwingkreis erzeugten Spannung,
  • Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
  • Gemäß Fig. 1 weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine Oszillatoranordnung 3, eine der Oszillatoranordnung 3 nachgeschaltet Resonanzanordnung 2 und eine der Resonanzanordnung 2 nachgeschaltete Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung 1 auf.
  • Die Oszillatoranordnung 3 ist zur Erzeugung eines Oszillatorsignals Uo vorgesehen. Sie ist als Zerhacker ausgeführt und umfaßt somit eine Schaltvorrichtung SW mit einem Ausgang 33, der nach Maßgabe eines an einem Steuereingang 32 anstehenden oszillierenden Steuersignals Us abwechselnd mit einem auf Masse liegenden Masseanschluß 30 oder mit einem Eingangsanschluß 31 verbunden wird, an welchem eine Eingangsgleichspannung Ub, beispielsweise eine Versorgungsspannung anliegt. Am Ausgang 33 der Oszillatoranordnung wird somit eine im Takte des Steuersignals Us oszillierende Rechteckspannung als Oszillatorspannung Uo abgegeben. Der Spannungshub der Oszillatorspannung Uo ist dabei auf den Wert der Eingangsgleichspannung Ub begrenzt. Daher werden an die Oszillatoranordnung 3 keine hohen Anforderungen bezüglich ihrer Spannungsfestigkeit gestellt.
  • Die Resonanzanordnung 2 ist zur Umsetzung der Oszillatorspannung Uo in eine gegenüber dieser überhöhte Resonanzwechselspannung Ur vorgesehen. Sie ist als RLC-Serienschwingkreis ausgeführt und weist einen Längsstromzweig 20 auf, der den Ausgang 33 der Oszillatoranordnung 3 mit dem Masseanschluß 30 verbindet. Im Längsstrompfad 20 sind eine Spule Lr, ein Kondensator Cr und ein Widerstand Rr zueinander in Reihe geschaltet. Der Serienschwingkreis wird durch die Oszillatorspannung Uo zum Schwingen angeregt. Dadurch entstehen am Kondensator Cr und an der Spule Lr hohe Wechselspannungen mit von der Frequenz f des Oszillatorsignals Uo abhängiger Amplitude. Im vorliegenden Fall ist der Kondensator Cr mit einem Anschluß an den Masseanschluß 30 angeschlossen und die an ihm abfallende Wechselspannung wird als Resonanzwechselspannung Ur der nachgeschalteten Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung 1 zugeführt. Selbstverständlich ist es denkbar, den Serienschwingkreis derart auszuführen, daß die Spule Lr mit einem Anschluß an den Masseanschluß 30 angeschlossen ist. Dann ist die an der Spule Lr abfallende hohe Wechselspannung der Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung 1 als Resonanzwechselspannung Ur zuzuführen.
  • Die Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung 1 ist zur Gleichrichtung und Vervielfachung der Resonanzwechselspannung Ur vorgesehen. Als Ergebnis wird an ihrem Ausgangsanschluß 12 eine hohe Ausgangsgleichspannung Ua abgegeben, deren Wert um ein Vielfaches höher als die Eingangsgleichspannung Ub ist. Die Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung 1 kann als Spannungsverdopplerstufe oder als Spannungsverdopplerkaskade mit mehreren nacheinander geschalteten Spannungsverdopplerstufen ausgeführt sein. Derartige Spannungsverdopplerstufen sind unter der Bezeichnung Delon-Schaltung oder Villard- Schaltung bekannt. Ein Ausführungsbeispiel einer Spannungsverdopplerkaskade wird nachfolgend in Fig. 4 näher beschrieben.
  • Das in Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 dadurch, daß die Resonanzanordnung 2 eine weitere Spule Ls aufweist, die mit der Spule Lr des Serienschwingkreises magnetisch gekoppelt ist und damit mit dieser Spule Lr einen Transformator bildet, über den die an der Spule Lr abfallende Wechselspannung ausgekoppelt und als Resonanzwechselspannung Ur der Spannungsvervielfacher- Gleichrichteranordnung 1 zugeführt wird. Durch den Transformator Lr, Ls erreicht man eine weitere Spannungserhöhung nach Maßgabe der Transformatorübersetzung und eine Potentialtrennung zwischen dem Hochspannungs- und Niederspannungsteil der Schaltungsanordnung.
  • Die Oszillatoranordnung 3 der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 oder 2 kann, wie in Fig. 3 dargestellt, zwei komplementäre Schaltransistoren T1, T2 aufweisen, die zwischen den Anschlüssen 31 und 30 bezüglich ihrer Schaltstrecken in Reihe geschaltet sind und die über eine Ansteueranordnung R1, R2, R3, T3, T4 im Takte des oszillierenden Steuersignals Us wechselweise in einen leitenden und einen sperrenden Zustand geschaltet werden. Der Verbindungspunkt zwischen den Schaltransistoren T1, T2 bildet dabei den Ausgang 33 der Oszillatoranordnung 3.
  • Fig. 4 zeigt eine Spannungsvervielfacherkaskade mit zwei Spannungsverdopplerstufen als Ausführungsbeispiel der Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung 1 aus Fig. 1 oder 2. Selbstverständlich ist es denkbar, die Anzahl der Spannungsverdopplerstufen entsprechend der jeweiligen Anforderung zu variieren. Jede der als sogenannte Villard-Schaltung ausgeführten Spannungsverdopplerstufen weist zwei Dioden D1, D2 bzw. D3, D4 und zwei Kondensatoren C1, C2 bzw. C3, C4 auf. Die Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung 1 weist des weiteren einen Masseanschluß 10, einen Eingangsanschluß 11 für die Resonanzwechselspannung Ur und einen Ausgangsanschluß 12 auf, an dem die zu erzeugende Ausgangsgleichspannung Ua abgegeben wird. Die Dioden D1, D2, D3, D4 sind derart in Reihe geschaltet, daß ein Stromfluß von dem Masseanschluß 10 zum Ausgangsanschluß 13 möglich ist. Zu jeweils zwei der in der Reihe aufeinanderfolgenden Dioden D1, D2, D3, D4 ist einer der Kondensatoren C2, C3, C4 parallel geschaltet und der Verbindungspunkt der ersten beiden Dioden D1, D2 ist über den Kondensator C1 mit dem Eingangsanschluß 11 verbunden. Zwischen Ausgangsanschluß 12 und Masseanschluß 10 ist optional ein Blockkondensator Ca zur Pufferung der Ausgangsgleichspannung Ua wegen schwankender Ausgangslast vorgesehen.
  • Die Funktionsweise der Spannungsvervielfacherkaskade läßt sich wie folgt beschreiben: bei der negativen Halbwelle der Resonanzwechselspannung Ur wird der Kondensator C1 über die Diode D1 aus der Resonanzwechselspannung Ur und der Kondensator C3 über die Diode D3 aus der im Kondensator C2 gespeicherten Ladung aufgeladen. Bei der positiven Halbwelle der Resonanzwechselspannung Ur findet dann ein Ladungsausgleich aus dem Kondensator C1 über die Diode D2 zum Kondensator C2 und aus dem Kondensator C3 über die Diode D4 zum Kondensator C4 statt. Dieser Vorgang wiederholt sich mit jeder Periode der Resonanzwechselspannung Ur, so daß die Kondensatoren C2, C4 schrittweise bis nahezu auf den doppelten Spitzenwert der Resonanzwechselspannung Ur aufgeladen werden. Die am Ausgangsanschluß 12 anstehende Ausgangsgleichspannung Ua entspricht dann - gemessen gegen Masse - nahezu der vierfachen Amplitude der Resonanzwechselspannung Ur.
  • Wie bereits erwähnt ist die Resonanzwechselspannung Ur abhängig von der Frequenz f des Oszillatorsignals Uo. Fig. 5 zeigt diese Abhängigkeit. Danach erreicht die Resonanzwechselspannung Ur ihren maximalen Amplitudenwert Urmax bei einer Resonanzfrequenz f0, die sich für den Serienschwingkreis nach der Gleichung


    berechnen läßt. Hierbei steht L für die Induktivität der Spule Lr und C für die Kapazität des Kondensators Cr.
  • Der maximale Amplitudenwert Urmax wird durch den Widerstand Rr begrenzt. Er läßt sich für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bei einer Vernachlässigung des Ausgangswiderstands der Oszillatoranordnung 3, der Leitungswiderstände und des Eingangswiderstands der Spannungvervielfacher-Gleichrichteranordnung 1 nach der Gleichung


    berechnen, wobei U für den Spannungshub des Oszillatorsignals Uo und R für den Widerstandwert des Widerstands Rr steht. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 erhöht sich dieser Wert noch um einen durch die Transformatorübersetzung vorgegebenen Faktor.
  • Aufgrund der Frequenzabhängigkeit der Resonanzwechselspannung Ur läßt sich die Ausgangsgleichspannung Ua durch Änderung der Frequenz des Oszillatorsignals Uo verlustarm variieren.
  • Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 oder 2 läßt sich, wie in Fig. 6 gezeigt, auf einfache Weise zu einem Regelkreis erweitern, indem die Oszillatoranordnung 3 durch einen spannungsgesteuerten Oszillator ersetzt wird und indem die Schaltungsanordnung um einen Sollwertvergleicher 5, um ein dem Sollwertvergleicher 5 nachgeschaltetes Regelglied 4 zur Ansteuerung des spannungsgesteuerten Oszillators 3 und um eine Rückkopplungsschleife vom Ausgang der Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung 1 zum Sollwertvergleicher 5 ergänzt wird. Die Rückkopplungsschleife umfaßt dabei eine Meßeinrichtung 6, die aus der Ausgangsgleichspannung Ua ein dem Wert dieser Spannung entsprechendes Istwertsignal Uist erzeugt. Der Sollwertvergleicher 5 vergleicht das Istwertsignal Uist mit einem Sollwertsignal Usoll, das als Führungsgröße den gewünschten Sollwert der Ausgangsgleichspannung Ua repräsentiert, und er erzeugt als Vergleichsergebnis ein die Regelabweichung des Regelkreises darstellendes Regelabweichsignal Uerr. Das Regelabweichsignal Uerr wird dem Regelglied 4 zugeführt, welches daraus ein die Oszillatorfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 3 bestimmendes Steuersignal Us erzeugt. Das vom spannungsgesteuerten Oszillator 3 in Antwort auf das Steuersignal Us abgegebene Oszillatorsignal Uo wird dann wie bereits beschrieben mit der Resonanzanordnung 2 durch Spannungsüberhöhung in die Resonanzwechselspannung Ur umgesetzt, welche ihrerseits mit der Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung 1 in die Ausgangsgleichspannung Ua umgesetzt wird. Über die Rückkopplungsschleife wird die Frequenz des Oszillatorsignals Uo derart variiert, daß die Regelabweichung minimiert wird und die Ausgangsgleichspannung Ua damit auf den durch das Sollwertsignal Usoll vorgegebenen Sollwert eingestellt wird.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zur Spannungserhöhung, mit einer Resonanzanordnung (2) zur Umsetzung einer Oszillatorspannung (Uo) in eine bezüglich der Oszillatorspannung (Uo) überhöhte Resonanzwechselspannung (Ur) und mit einer der Resonanzanordnung (2) nachgeschalteten Spannungsvervielfacher-Gleichrichteranordnung (1) zur Umsetzung der Resonanzwechselspannung (Ur) in eine bezüglich der Amplitude der Resonanzwechselspannung (Ur) überhöhte Ausgangsgleichspannung (Ua), dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzanordnung (2) in einem Längsstromzweig (20), an dem die Oszillatorspannung (Uo) anliegt, einen Kondensator (Cr) und eine dazu in Reihe geschalteten Spule (Lr) aufweist und daß die Resonanzwechselspannung (Ur) an einem Verbindungspunkt zwischen der Spule (Lr) und dem Kondensator (Cr) oder an einer mit der Spule (Lr) magnetisch gekoppelten weiteren Spule (Ls) ansteht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzanordnung (2) einen Widerstand (Rr) zur Begrenzung der Resonanzwechselspannung (Ur) aufweist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch ein Steuersignal (Us) in der Frequenz steuerbare Oszillatoranordnung (3) zur Erzeugung der Oszillatorspannung (Uo) vorgesehen ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoranordnung (3) als Zerhacker ausgeführt ist, der aus einer Eingangsgleichspannung (Ub) eine Rechteckspannung als Oszillatorspannung (Uo) erzeugt.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerhacker eine Reihenschaltung mit zwei im Gegentakt angesteuerten Schaltern (T1, T2) aufweist, wobei die Eingangsgleichspannung (Ub) der Reihenschaltung mit den beiden Schaltern (T1, T2) zugeführt ist und die Oszillatorspannung (Uo) an einem Verbindungspunkt zwischen den beiden Schaltern (T1, T2) ansteht.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoranordnung (3) als spannungsgesteuerter Oszillator ausgeführt ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Regelung der Ausgangsgleichspannung (Ua) einen Sollwertvergleicher (5) und ein Regelglied (4) aufweist, wobei der Sollwertvergleicher (5) zur Ermittlung der Abweichung (Uerr) der Ausgangsgleichspannung (Ua) von einem vorgegebenen Sollwert (Usoll) vorgesehen ist und das Regelglied (4) zur Erzeugung des die Oszillatoranordnung (3) ansteuernden Steuersignals (Us) aus der vom Sollwertvergleicher (5) ermittelten Abweichung (Uerr) vorgesehen ist.
8. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche zur Ansteuerung von Piezoventilen.
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