DE10339483A1

DE10339483A1 - Schaltregler

Info

Publication number: DE10339483A1
Application number: DE10339483A
Authority: DE
Inventors: Michael Hackner; Roland Ernst; Hans-Peter Hohe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-31

Abstract

Ein Schaltregler zum Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung umfasst einen Ladeschalter, ein Netzwerk mit einer Spule, einem Kondensator und einer Diode sowie einer Steuerung, um den Ladeschalter zu öffnen und zu schließen. Das Netzwerk hat ausgangsseitig eine positive Ausgangsschiene und eine negative Ausgangsschiene, wobei die zu regelnde Ausgangsspannung zwischen der positiven Ausgangsschiene und der negativen Ausgangsschiene anliegt. Die Steuerung ist ausgebildet, um einen Umschalter anzusteuern, um über eine Potentialkopplungseinrichtung den Steuereingang des Ladeschalters entweder mit der positiven Ausgangsschiene oder mit der negativen Ausgangsschiene zu verbinden. Damit muss zum Ansteuern des Schalters kein eigenes Potential erzeugt werden, sondern das Potential an der positiven Ausgangsschiene oder an der negativen Ausgangsschiene, das ohnehin anliegt, wird zum Steuern des Ladeschalters verwendet. Damit kann der erfindungsgemäße Schaltregler einfach aufgebaut werden und liefert zudem ein definiertes und schnelles Hochfahren, ohne dass zusätzliche Hochfahrstabilisierungen erforderlich sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schaltregler und insbesondere auf Schaltregler mit einem Netzwerk aus einer Spule, einem Kondensator und einer Diode, die ringartig verschaltet sind.

4 zeigt einen bekannten Abwärts-Wandler mit einem einfachen Schalter, wie er beispielsweise in „Halbleiterschaltungstechnik" U. Tietze, C.H. Schenk, Springer-Verlag, 9. Auflage, 1989, 18.37 auf Seite 564 gezeigt ist. Der Abwärts-Wandler in 4 umfasst eine ringartige Verschaltung mit einer Spule 400, einem Kondensator 402 und einer Diode 404. Der Abwärts-Wandler bzw. Schaltregler in 4 umfasst ferner einen Ladeschalter 406 sowie eine in 4 nicht gezeigte Steuerung, die ausgebildet ist, um den Ladeschalter 406 so zu steuern, dass die Ausgangsspannung des Schaltreglers, die in 4 mit U_SR bezeichnet ist, auf einem definierten Niveau zu halten bzw. in einem Bereich um das definierte Niveau herum zu halten. Die Frequenz, mit der der Schalter 406 geöffnet bzw. geschlossen wird, hängt von einer Last 408 ab, d. h. von dem Stromverbrauch der Last. Ist der Stromverbrauch der Last hoch, so wird das Tastverhältnis, d. h. die Zeitdauer in einem Zyklus, in dem der Schalter geschlossen ist, zu der Zeitdauer in einem Zyklus, in dem der Schalter offen ist, hoch sein. Dagegen wird im Falle einer Last, die wenig Strom (I_SR) zieht, der Schalter in einem Zyklus nur eine kleinere Zeitdauer lang geschlossen sein.

Die in 4 gezeigte Schaltung umfasst eine bestimmte Anzahl von Knoten, die nachfolgend dargelegt werden. An einem ersten Eingangsknoten 410 der Schaltung wird ein Pol einer Eingangsspannungsquelle U₀ angeschlossen, während an einem zweiten Eingangsknoten 412 ein anderes Potential der Eingangsquelle U₀ angeschlossen wird. Der zweite Eingangsknoten 412 ist typischerweise der Masseknoten. Ein erster Ausgangsknoten 414 wird auch als erste Ausgangsschiene oder positive Ausgangsschiene bezeichnet, während ein zweiter Ausgangsknoten 416 auch als zweite Ausgangsschiene bzw. negative Ausgangsschiene bezeichnet wird, wenn die in 4 gezeigte Konvention für die Ausgangsspannung des Schaltreglers U_SR verwendet wird. Der Schalter 406 ist einerseits zwischen den ersten Eingangsknoten 410 und einen ersten Zwischenknoten 418 geschaltet. Ferner ist die Diode 404 so zwischen den ersten Zwischenknoten 418 und den zweiten Eingangsknoten 412 geschaltet, dass die Anode der Diode mit dem zweiten Eingangsknoten 412 verbunden ist, während die Kathode der Diode mit dem ersten Zwischenknoten 418 verbunden ist. Ferner ist, wie es in 4 gezeigt ist, der Kondensator 402 zwischen den ersten Ausgangsknoten 414 und den zweiten Ausgangsknoten 416 geschaltet. Gemäß der in 4 gezeigten Konfiguration des Netzwerkes aus Diode, Spule und Kondensator ist die Spule zwischen den ersten Zwischenknoten 418 und den ersten Ausgangsknoten 414 geschaltet.

Nachfolgend wird auf die Funktionalität der in 4 gezeigten Schaltung eingegangen. So lange der Schalter 406 geschlossen ist, wird U_D gleich der negativen Eingangsspannung U₀. Wenn er sich öffnet, behält der Drosselstrom I_L seine Richtung bei, und U_D sinkt betragsmäßig ab, bis die Diode leitend wird, also ungefähr auf 0-Potential. Der zeitliche Verlauf des Spulenstroms ergibt sich aus dem In duktionsgesetz, gemäß dem die Spannung an der Spule gleich dem Produkt aus der Induktivität L der Spule und der Ableitung des Spulenstroms nach der Zeit ist. Während der Einschaltzeit, also wenn die Eingangsspannung U₀ an der Diode 404 anliegt, liegt an der Drossel die Spannung U₀ – U_SR an. Während der Ausschaltzeit t_aus des Schalters 406 liegt an der Drossel die Spannung U_L = -U_SR an. Daraus ergibt sich eine Stromänderung ΔI_L, die folgendermaßen gegeben ist: ΔIL = 1/L·USR·taus.

Aus dieser Bilanz lässt sich wiederum die Ausgangsspannung berechnen, die folgendermaßen definiert ist: USR = tein/(tein + taus)·U0 = tein/T·U0 = t·U0.

In der vorstehenden Gleichung ist T = t_ein + t_aus = 1/F die Schwingungsdauer, und p = t_ein/T ist das sogenannte Tastverhältnis. Es ist zu sehen, dass sich als Ausgangsspannung erwartungsgemäß der arithmetische Mittelwert von U_D ergibt. Typischerweise wird die Induktivität L der Spule 400 so gewählt, dass ein Minimalstrom nicht unterschritten wird, wie es in der Technik bekannt ist. Ferner ist bekannt, dass mit Erhöhung der Taktfrequenz die Induktivität verkleinert werden kann. Ferner steigt bei zu hohen Frequenzen der Aufwand für den Schalttransistor und die Ansteuerschaltung. Außerdem nehmen dynamische Schaltverluste proportional zur Frequenz zu. Aus diesen Gründen werden Schaltfrequenzen zwischen 20 kHz und 200 kHz bevorzugt.

Der Kondensator 402 bestimmt die Welligkeit der Ausgangsspannung. Die Erzeugung des Schaltsignals zum Schalten des Lade-Transistors 406 erfolgt üblicherweise durch einen Im pulsbreitenmodulator und einen Regler mit Spannungsreferenz. Im einzelnen wird eine Referenzspannung, die einen Sollwert liefert, einem Subtrahierer zugeführt, dem auch die aktuelle Ausgangsspannung U_SR als Ist-Wert zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Subtrahierers wird einem Regelverstärker zugeführt, der einen Komparator speist, in den andererseits ein von einem Sägezahngenerator erzeugtes Signal zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Komparators ist das Steuersignal für den Schalter 406 in 4. Typischerweise ist der Regelverstärker ein PI-Regelverstärker. Er erhöht sein Ausgangssignal so lange, bis die Differenz am Ausgang des Subtrahierers zu 0 wird, bis also die Ausgangsspannung U_SR gleich der Soll-Ausgangsspannung ist. Typische Größenordnungen für die Dimensionierung der Spule sind im zweistelligen Mikro-Henry-Bereich, während typische Werte für Kondensatoren im dreistelligen Mikro-Farad-Bereich liegen, wenn Schaltfrequenzen im Bereich von 50 kHz verwendet werden.

In 4 gezeigte Schaltregler sollen eine geeignete Spannungsversorgung an eine nachfolgend angeschlossene Schaltung, wie beispielsweise einen ASIC, liefern. Die Spannungsversorgung besteht in der Regel aus einer oder mehreren konstanten Gleichspannungen von beispielsweise +5 V oder ±15 V. Oft steht diese nicht von vorneherein in der gewünschten Form zur Verfügung und muss erst durch beispielsweise einen in 4 gezeigten Schaltregler, der durch einen nachgeschalteten Linearregler ergänzt werden kann, um die Welligkeit der Ausgangsspannung zu beseitigen, erzeugt werden. Eingangsseitig an dem in 4 gezeigten Schaltregler liegt üblicherweise ein Wechselrichter vor, der aus dem Wechsel- bzw. Drehstromnetz (230 V bzw. 400 V) der Elektrizitätswerke die Eingangsspannung U₀ erzeugt.

So existieren abweichend von dem in 4 gezeigten Schaltregler auch andere Regler mit einem Transformator, einem Gleichrichter, einem Glättungs-Kondensator und eventuell einem Linearregler zur Spannungs-Stabilisierung. Allerdings ist der Transformator aufwendig herzustellen und damit teuer. Ferner benötigt er viel Platz. Ein weiterer Nachteil des Transformators besteht in seinem frequenzabhängigen Arbeitsbereich. Dieser ist z. B. auf die Netzfrequenz von 50 Hz bzw. 60 Hz eingeschränkt. Weicht die Frequenz ab, dann hat dies auch eine Abweichung der Ausgangsspannung des Transformators zur Folge. Bei einer Gleichspannung am Eingang funktioniert die Spannungs-Übertragung nicht.

Läßt man den Transformator weg und verwendet nur Gleichrichter, Glättungskondensator und einen Linearregler, dann geht viel Energie in Form von Wärme verloren. Außerdem muss dann für eine ausreichende Kühlung des Linearreglers gesorgt werden, die wiederum sehr aufwendig ist und Platz braucht. Dies alles wird dadurch umgangen, wenn man, wie es anhand von 4 dargestellt worden ist, anstelle des Linearreglers einen Schaltregler verwendet. Durch den deutlich besseren Wirkungsgrad geht wenig Energie in Form von Wärme verloren und folglich ist der Aufwand für die Kühlung deutlich geringer. Der Schaltregler benötigt, wie es ausgeführt worden ist, eine Drossel (die Induktivität 400 in 4), die relativ aufwendig in der Herstellung ist. Diese hat jedoch nur eine Wicklung und ist damit einfacher herzustellen als ein Transformator, der zwei Wicklungen besitzt. Außerdem kann die Drossel durch Wahl einer höheren Arbeits-Frequenz verkleinert werden.

Viele bekannte Schalt-Netzteile, so auch das in 4 gezeigte Schaltnetzteil sind in bestimmter Hinsicht problematisch. Üblicherweise ist der Eingangsspannungs-Bereich auf ein Verhältnis von U_E,max/U_E,min ≤ 5 beschränkt, was aus den Katalogen verschiedener Hersteller zu sehen ist. Dieser Bereich ist für manche Anwendungen zu gering und sollte erhöht werden, und zwar auf ein Verhältnis von z. B. 20:1.

Die Spannungsversorgung des Reglers selbst erfolgt entweder über eine separate Spannungsquelle oder wird aus der Eingangsspannung erzeugt, was einen zusätzlichen Spannungsregler und damit zusätzlichen Aufwand bedeutet.

Ferner wird für einen flexiblen Einsatz angestrebt, die Eingangsspannung deutlich größer wählen zu können, als die maximale zulässige Betriebsspannung des Reglers selbst, ohne dass zusätzliche Spannungs-Regler für die Erzeugung dieser Betriebsspannung verwendet werden.

Ferner sollte bei Anlegen der Eingangsspannung ein möglichst schnelles, kontrolliertes Anlaufen des Schaltreglers gewährleistet sein. Insbesondere für zeitkritische Anwendungen sollte diese sogenannte Anlauf-Verzögerung so klein als möglich sein.

Insbesondere nachteilig an dem in 4 gezeigten Schaltreglerkonzept ist, dass das Signal zum Steuern des Schalters 406 extern erzeugt werden muss. So wird einerseits das Timing des Signals durch Regelung der Ausgangsspannung U_SR durch einen fremd-versorgten Regler ermittelt. Des weiteren wird das dann tatsächlich an den Schalter, der beispielsweise ein Transistor sein kann, angelegte Signal, im Falle eines Transistors wird dies die Gate-Spannung des Transis tors sein, wiederum extern in dem Schaltregler erzeugt, was wiederum einen Spannungs-Umsetzer zur Folge hat, um an den Schalter ein Steuersignal mit dem richtigen Potential anzulegen. Wie es ausgeführt worden ist, wird das direkt an den Schalter 406 angelegte Signal somit entweder extern bereitgestellt oder aus der Eingangsspannung U₀ erzeugt.

Die DE 199 46 025 , die DE 197 00 100 C2 , die DE 195 07 553 A1 oder die DE 197 06 491 A1 offenbaren Schaltregler, die auf der Basis des in 4 gezeigten Prinzipschaltbilds arbeiten, wobei je nach Ausführungsform die Spule 400 entweder zwischen dem ersten Zwischenknoten 418 und dem ersten Ausgangsknoten 414, wie in 4 gezeigt, angeordnet ist, oder alternativ zwischen dem zweiten Eingangsknoten 412 und dem zweiten Ausgangsknoten 416 angeordnet ist. Die Steuerspannung für den Schalter 406, der als Transistor ausgeführt sein kann, wird von dem Regler, der das Timing des Schalters 406 bestimmt, oder extern erzeugt. Dies führt zu zusätzlichem Schaltungsaufwand, der im Hinblick auf den Entwurf, das Testen und die Herstellung zusätzliche Kosten bedeutet. Zusätzliche Kosten sind insbesondere deswegen nachteilhaft, da Schaltregler insbesondere, wenn sie innerhalb von Leuchten vorgesehen sind oder aber auch voll integriert mit einer zu versorgenden integrierten Schaltung ausgeführt sind, den Preis des Endprodukts erhöhen und insbesondere bei Chipanwendungen, bei denen die Chipfläche ein Kriterium ist, aufgrund des erhöhten Chipflächen-Verbrauchs entstehen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schaltreglerkonzept zu schaffen, das in der Herstellung preisgünstiger ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Schaltregler nach Patentanspruch 1 oder ein Verfahren zum Steuern eines Hochfahrens eines Schaltreglers nach Patentanspruch 18 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Signal zum Ansteuern des Schalters aus dem Ausgangssignal des Schaltreglers, also dem von dem Schaltregler erzeugten Nutzsignal abgeleitet wird. Hierzu wird erfindungsgemäß das Potential an einer Ausgangsschiene abgegriffen und entweder direkt oder beaufschlagt mit einem Spannungsabfall an den Schalter geliefert, um den Schalter beispielsweise zu schließen. Soll der Schalter geöffnet werden, so gelingt dies dadurch, dass das Potential an der anderen Ausgangsschiene, also beispielsweise der negativen Ausgangsschiene, entweder direkt oder mit einem Spannungsabfall beaufschlagt an den Steuereingang des Schalters angelegt wird. Das Umschalten von einer Ausgangsschiene zu der anderen Ausgangsschiene erfolgt erfindungsgemäß durch einen Umschalter mit einem Steuereingang, der durch das Timing-Signal der Steuerung zum Ermitteln der Öffnungs- und Schließzeiten des Ladeschalters angesteuert wird.

Die vorliegende Erfindung ist dahingehend vorteilhaft, dass die Steuerung, die das Schalter-Timing bestimmt, keine spezielle Spannung mit einem bestimmten Spannungswert erzeugen muss, um den Schalter einerseits zu öffnen oder andererseits zu schließen. Ferner muss kein solches Potential extern erzeugt werden. Erfindungsgemäß wird statt dessen auf die ohnehin im Schaltregler vorhandenen Potentiale auf der ersten und der zweiten Ausgangsschiene zurückgegriffen, um mit dem einen Potential, das sich um die zu regelnde Ausgangsspannung von dem Potential an der anderen Ausgangsschiene unterscheidet, den Schalter entweder zu öffnen oder zu schließen. Nachdem der Potentialunterschied dieser beiden Potentiale typischerweise groß genug ist, muss insbesondere dann, wenn als Schalter ein Transistor verwendet wird, keine besonders aufwendige Dimensionierung des Transistors betrieben werden, da es ausreichend ist, wenn der Transistor derart ausgestaltet ist, dass er mit dem einen Potential an seinem Steuereingang schließt und mit dem anderen Potential an seinem Steuereingang geöffnet ist. Nachdem, wie es ausgeführt worden ist, der Potentialunterschied zwischen den Potentialen an den beiden Ausgangsschienen typischerweise im Bereich von einigen Volt liegen wird, muss ein Transistorschalter nicht extra dimensioniert werden, da sehr viele Transistoren existieren, die bei dem einen Potential am Steuereingang leiten und beim anderen Potential am Steuereingang sperren.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass keine externe Schaltung, die wieder einen Stromverbrauch nach sich zieht, benötigt wird, da die Energie zum Steuern des Schalters direkt aus der Schaltregler-Ausgangsspannung gezogen wird. Im Vergleich zu dem bekannten Fall, bei dem die Energie zum Steuern des Schalters aus der Eingangsspannung gezogen wird, ist die erfindungsgemäße Variante dahingehend vorteilhaft, dass die Schaltregler-Ausgangsspannung nahezu immer kleiner als die Eingangsspannung ist, wobei kleinere Spannungen insgesamt mit preisgünstigeren Elementen gehandhabt werden können als größere Spannungen, was insbesondere für den Umschalter zwischen der einen und der anderen Ausgangsschiene zutrifft.

Die vorliegende Erfindung ist ferner dahingehend vorteilhaft, dass sie das innere Konzept des Schaltreglers, also das Zusammenwirken der Diode, der Spule und des Ladekonden sators bzw. Siebkondensators nicht dahingehend beeinflusst, dass die Funktionalität abgeändert werden müsste, um ein bekanntes Schaltreglerprinzip mit dem erfindungsgemäßen Umschalter auszustatten. Statt dessen ist das erfindungsgemäße Konzept zum Erzeugen des Schaltsignals für den Ladeschalter mit bekannten Schaltreglerkonzepten kompatibel, was wiederum Zeit und Kosten spart, da auf bekannte Konzepte zurückgegriffen werden kann.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das erfindungsgemäße Konzept mit einer selbstversorgten Steuerung kombinierbar ist, da es keine eigene Versorgung benötigt. So ist es beim Hochfahren des Schaltreglers, also wenn die Eingangsspannung eingeschaltet wird, zunächst für den Hochlaufvorgang selbst bis zu einer gewissen Schwelle, die von dem Ladeschalter bestimmt wird, unerheblich in welcher Stellung der Umschalter ist. Der erfindungsgemäße Schaltregler wird immer hochlaufen, unabhängig davon, ob der Umschalter zum Zeitpunkt des Anlegens der Eingangsspannung mit der positiven oder der negativen Ausgangsschiene verbunden ist. Damit müssen für das Hochfahren bezüglich des Umschalters zum Anlegen des Potentials einer Ausgangsschiene an den Steuereingang des Schalters keine Maßnahmen getroffen werden. Statt dessen läuft der erfindungsgemäße Schaltregler immer definiert hoch.

Ein weiterer Vorteil, der aufgrund der sicheren Hochfahrbarkeit entsteht, ist darin zu sehen, dass ein schnelles Hochfahren gewährleistet wird, zumal keine Zeitverzögerung beispielsweise dadurch auftritt, dass der Umschalter vor dem Hochfahren bzw. unmittelbar zum Zeitpunkt des Hochfahrens in einen bestimmten Zustand gebracht werden muss.

Insbesondere in der Variante, bei der die Spule mit der Anode der Diode verbunden ist, ist die vorliegende Erfindung auch dahingehend vorteilhaft, dass die Eingangsspannung der Schaltung nur durch die Spannungs-Festigkeit der drei Elemente Schalter, Freilauf-Diode und Spule begrenzt ist. Ferner versorgt sich der Schaltregler selbst und läuft definiert hoch, wie es ausgeführt worden ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
1 ein Prinzipblockschaltbild des erfindungsgemäßen Schaltreglers;
2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schaltreglers mit einem selbstsperrenden Transistor als Ladeschalter;
3 ein alternatives bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem selbstleitenden Transistor als Ladeschalter; und
4 ein Blockschaltbild eines bekannten Schaltreglers, der auch als Buck-Converter bekannt ist.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schaltregler zum Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung U_SR unter Verwendung einer Eingangsspannung U₀, die aus Übersichtlichkeitsgründen als Spannungsquelle U₀ 10, die in Serie zu einem Innenwiderstand R_i 12 geschaltet ist, gezeigt ist. Wenn ein Ein/Aus-Schalter 14 betätigt wird, liegt zwischen einem ersten Eingangsknoten 110 und einem zweiten Eingangsknoten 112 eine Spannung an. Zwischen den ersten Eingangsknoten 110 und den zweiten Eingangsknoten 112 sind gewissermaßen seriell zueinander ein steuerbarer Schalter 106 und ein Netzwerk 101 geschaltet, das ein typisches Schaltregler-Netzwerk mit einer Spule, einem Kondensator und einer Diode ist. Typischerweise haben solche Schaltregler-Netzwerke 101 auch noch einen Shunt-Widerstand, um einen Strompfad mit einem definierten Ohmschen Widerstand zu schaffen.
Die Ausgangsspannung, die von dem in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Schaltregler geregelt wird, liegt zwischen einer ersten Ausgangsschiene, die auch als positive Ausgangsschiene bezeichnet wird und mit dem ersten Ausgangsknoten 114 identisch ist, und einer zweiten Ausgangsschiene, die auch als negative Ausgangsschiene bezeichnet wird und mit dem zweiten Ausgangsknoten 116 identisch ist, an. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die positive Ausgangsschiene 114 auf ein erstes (positives) Potential bringbar, während die negative Ausgangsschiene 116 auf ein zweites Potential bringbar ist, das kleiner als das erste Potential ist.
Das Netzwerk 101, das eine Spule, einen Kondensator und eine Diode aufweist, hat die Diode insbesondere so geschaltet, dass sie mit der positiven Ausgangsschiene gekoppelt ist, wenn die Spule mit der negativen Ausgangsschiene gekoppelt ist, oder dass sie mit der negativen Ausgangsschiene gekoppelt ist, wenn die Spule mit der positiven Ausgangsschiene gekoppelt ist. Typischerweise wird die Diode also mit einer Ausgangsschiene, entweder der positiven Ausgangsschiene 114 oder der negativen Ausgangsschiene 116, gekoppelt sein.
Der Schalter 106, der in 1 gezeigt ist, wird auch als Ladeschalter bezeichnet, da er zum Laden des Kondensators in dem Netzwerk 101 vorgesehen ist. Insbesondere ist er in Serie zu der Diode geschaltet. Der Ladeschalter umfasst ferner einen Steuereingang 107, über den der Ladeschalter 106 geschlossen werden kann, was bedeutet, dass die Eingangsspannung nicht an dem Ladeschalter abfällt, sondern an dem Netzwerk 101. Ist der Schalter dagegen geöffnet, so fällt die Eingangsspannung über dem Schalter ab, das Netzwerk 101 ist somit (abgesehen von transienten Zuständen) nicht mit der Eingangsspannung beaufschlagt.
Über den Steuereingang 107 kann der Ladeschalter somit geöffnet oder geschlossen werden. Das Netzwerk 101 umfasst ferner einen Kondensator, der auch als Siebkondensator bezeichnet wird und derart geschaltet ist, dass an dem Kondensator die geregelte Ausgangsspannung abgreifbar ist. Ein wesentlicher Teil des Netzwerks 101 ist ferner die Induktivität, die nachfolgend auch als Spule bezeichnet wird, welche einerseits mit der Diode und andererseits mit dem Kondensator gekoppelt ist.
Erfindungsgemäß umfasst der in 1 gezeigte Schaltregler ferner eine Umschalteinrichtung 109, die steuerbar ist, um abhängig von einem Umschaltsteuersignal, das von einer Steuerung 111 bereitgestellt wird, entweder die erste Ausgangsschiene 114 oder die zweite Ausgangsschiene 116 über eine Kopplungseinrichtung 113 mit dem Steuereingang 107 des Ladeschalters zu koppeln. Insbesondere ist der Ladeschalter 106 derart ausgebildet, dass er aufgrund eines Potentials an einer Ausgangsschiene geschlossen ist, und aufgrund eines Potentials an der anderen Ausgangsschiene geöffnet ist. Bei nachfolgend dargelegten Ausführungsbeispielen ist der Ladeschalter 106, wie später noch anhand der 2 und 3 dargestellt ist, als selbstleitender oder selbstsperrender NMOS-Transistor ausgeführt. In diesem Fall wird der Ladeschalter 106 durch das Potential an der positiven Ausgangsschiene geschlossen (leitend gemacht), während er durch das Potential an der negativen Ausgangsschiene geöffnet wird (in den Leerlauf gebracht wird). Für Fachleute ist es klar, dass dann, wenn der Schalter 106 als PMOS-Transistor ausgeführt ist, entweder entsprechende Potentialumsetzungen in der Kopplungseinrichtung 113 durchgeführt werden können, oder dass das Potential an der negativen Ausgangsschiene dafür verwendet wird, um den Schalter zu schließen, während das Potential an der positiven Ausgangsschiene 114 verwendet wird, um den Schalter 106 zu öffnen, also in den Leerlaufbetrieb zu bringen.
Üblicherweise wird die Steuerung 111 einen Regler umfassen, der beliebig ausgestaltet sein kann, so lange er ein Signal ausgibt, das dazu führt, dass durch Öffnen und Schließen des Ladeschalters 106 die Ausgangsspannung U_SR einen definierten erwünschten Zeitverlauf hat. Üblicherweise wird der Regler 111 derart arbeiten, dass er eine Ausgangsspannung mit einem Mittelwert am Ausgang 114, 116 des Netzwerks 101 sicherstellt, unabhängig davon, welche Last angeschaltet ist bzw. welchen Strom eine Last zieht. Der Zeitverlauf der Spannung U_SR wird typischerweise ein Spannungsverlauf mit einer gewissen Welligkeit um einen Mittelwert herum sein. Die Welligkeit kann durch Dimensionierung von Spule und Kondensator in vorbestimmte Toleranzbereiche gebracht werden, wobei in vielen Fällen ein Signal mit einer Welligkeit um einen Mittelwert herum bereits ausreichend, und zwar insbesondere dann, wenn die Anforderungen an das Schaltregler-Ausgangssignal, also die Spannung U_SR, nicht so hoch sind, wie beispielsweise für eine Lampe oder etwas ähnliches. Andererseits wird in dem Fall, in dem der Schaltregler, wie er in 1 gezeigt ist, zusammen mit einer von ihm zu versorgenden integrierten Schaltung auf einem Substrat integriert ist, derselbe noch durch einen dem Ausgang 114, 116 des Schaltreglers nachgeschalteten Linearregler ergänzt sein, um Anforderungen an eine Spannung U_SR zu erfüllen, die die Möglichkeiten des in 1 gezeigten Schaltreglers übersteigen, um mit vernünftigem Aufwand ein Ausgangssignal U_SR mit entsprechender Spezifikation zu liefern.
Die Einschalt/Ausschalt-Steuerung wird derart vorgenommen, dass dann, wenn die Steuerung 111 bestimmt, dass der Ladeschalter geöffnet werden soll, der Umschalter 109 an die dem Öffnen des Ladeschalters 106 zugeordnete Ausgangsschiene, in 1 beispielsweise 116, verbunden wird, während dann, wenn der Ladeschalter 106 geschlossen werden soll, weil der Kondensator im Netzwerk 101 wieder nachgeladen werden soll, die Steuerung 111 den Umschalter 109 aktiviert, um nunmehr das Potential der oberen Ausgangsschiene 114 an den Steuereingang 107 des Ladeschalters 106 zu koppeln.
2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Spule 100 mit der Diode 104 und dem Siebkondensator 102 verschaltet ist. Beim Vergleich von 2 und 4 wird ersichtlich, dass die Spule 100 nicht mehr, wie in 4, mit der Kathode der Diode 104 verbunden ist, sondern mit der Anode der Diode 104 verbunden ist. Ferner wird aus dem Vergleich von 2 und 4 ersichtlich, dass nunmehr die positive Ausgangsschiene 114 mit einem Zwischenknoten 118, über den der La deschalter 106 mit der Diode 104 verbunden ist, mit dem Ausgangsknoten 114, also der ersten Ausgangsschiene, zusammenfällt. Ferner ist in 2 ein Shunt-Widerstand R_Sh 101 eingezeichnet, der zwischen die Spule 100 und die negative Ausgangsschiene 116 geschaltet ist. Ein Knoten 103 zwischen dem Shunt-Widerstand 101 und der Spule 100 wird auch als unterer Zwischenknoten bezeichnet.
Insbesondere ist der Ladeschalter 106 bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel als selbstsperrender NMOS-Transistor ausgeführt, dessen Drain D mit dem ersten Eingangsknoten 110 verbunden ist, und dessen Source S zunächst mit einem Bulk-Anschluß B des Transistors kurzgeschlossen ist, und dessen Source S ferner direkt mit dem positiven Ausgangsknoten 114, also der positiven Ausgangsschiene gekoppelt ist. Die Kopplungseinrichtung 113 von 1 umfasst bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Zener-Diode D_Z 113a, einen parallel geschalteten Kondensator C_Z 113b sowie einen Vorschaltwiderstand R_Z 113c. Der Vorschaltwiderstand dient dazu, um die eine Spannungsabfalleinrichtung bildende Parallelschaltung des Kondensators 113b und der Diode 113a über den ersten Eingangsknoten 110 mit Strom zu versorgen, wie es später noch dargelegt wird.
Für die Betriebsweise des in 2 gezeigten Schaltreglers bzw. überhaupt von Schaltreglern sind die transienten Charakteristika der Speicherelemente Spule L und Kondensator C_S wichtig, da der Schaltregler, wie er in 2 gezeigt ist, eine Regelung der Ausgangsspannung durch ständiges Ein/Aus-Schalten des Ladeschalters 106 erreicht.
Eine Spule ist dadurch charakterisiert, dass die Spannung, die über der Spule abfällt, gleich der zeitlichen Ableitung des Stroms ist, der durch die Spule fließt. Entsprechend ist ein Kondensator dadurch gekennzeichnet, dass der Strom, der durch den Kondensator fließt, proportional zur zeitlichen Ableitung der an dem Kondensator liegenden Spannung ist.
Bezüglich der Spule ist ferner von großer Bedeutung, dass die an der Spule anliegende Spannung springen kann, dass jedoch der Strom durch die Spule nicht springen kann. Wird daher eine Spule eingeschaltet, also wird eine Gleichspannung (über einen Quelleninnenwiderstand) an die Spule angelegt, so steigt die Spannung an der Spule schlagartig auf den Wert der angelegten Gleichspannung an und fällt dann exponentiell ab. Gleichzeitig beginnt der Strom durch die Spule von seinem Ursprungswert 0 an langsam anzusteigen, bis er dann irgendwann einen Wert erreicht hat, der gleich dem Quotienten aus der angelegten Spannung und dem Innenwiderstand der Quelle ist. Wenn dieser stationäre Zeitpunkt erreicht ist, ist auch die über der Spule abfallende Spannung zu 0 geworden.
Entsprechend umgekehrt ist es beim Kondensator. Wird der Kondensator eingeschaltet, so steigt die Spannung an dem Kondensator langsam an, während der Strom durch den Kondensator springen kann.
Die Elemente Spule und Kondensator unterscheiden sich somit dadurch, dass der Strom durch den Kondensator springen kann, während die Spannung an der Spule springen kann. Die Spannung an dem Kondensator kann dagegen nicht springen. Dasselbe gilt auch für den Strom durch die Spule, er kann ebenfalls nicht springen. Dies führt dazu, da zum Zeitpunkt des Einschaltens, also zum Zeitpunkt t = 0, wenn beim Zeit punkt t = 0 das Einschalten stattfindet, die Spule als Leerlauf wirkt, während der Kondensator als Kurzschluß wirkt.
Nachfolgend wird auf das Ausschalten der Elemente Bezug genommen. Wird ein auf eine Gleichspannung aufgeladener Kondensator von der Gleichspannungsquelle abgetrennt, so passiert nichts. Er hält die Ladung, wenn er sich nicht über einen Widerstand entladen kann. Findet das Ausschalten des Kondensators jedoch über einen Kurzschluß statt, so führt dies dazu, dass ein sehr hoher Strom fließt, wobei zu diesem Zeitpunkt der Strom- und der Spannungs-Pfeil an dem Kondensator in entgegengesetzte Richtung zeigen. Der Kondensator arbeitet also, wenn er ausgeschaltet wird, als Generator.
Wird eine von einem Strom durchflossene Spule ausgeschaltet, so ist wieder von Bedeutung, wie die Spule ausgeschaltet wird. Wird eine Spule von einem Strom durchflossen, so existiert ein Magnetfeld, in dem Energie gespeichert wird. Wird eine Spule von der Quelle dadurch abgetrennt, dass zwischen Quelle und Spule ein Leerlauf ist, so würde der Strom durch die Spule eigentlich schlagartig auf 0 gebracht. Die in dem Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie muss jedoch abfließen können. Daher führt ein Abschalten einer Spule durch Erzeugen eines Leerlaufs zwischen der Quelle und der Spule zu einer hohen Spannungsspitze, die dazu führt, dass sich an dem Schalter ein Lichtbogen bildet, über den die im Magnetfeld gespeicherte Energie zur Quelle abfließen kann. Aus diesem Grund wird eine Spule, um die theoretisch unendlich hohen Spannungsspitzen, die zerstörerisch wirken würden, zu vermeiden, über einen Widerstand, eine Diode oder einen Kondensator entladen. Dies führt zu einer Spannungsspitze mit reduzierter Höhe. Wird eine Spule ausgeschaltet, so zeigen wieder der Spannungspfeil und der Strompfeil in unterschiedliche Richtungen. Die Spule arbeitet somit als Generator.
Ist, wie es in 2 (oder 3) gezeigt ist, die Spule in Serie zu einem Kondensator geschaltet, so ist zum Einschaltzeitpunkt, also wenn eine Spannung von 0 in eine Spannung mit einem bestimmten Gleichspannungswert umgeändert wird, der Kondensator ein Kurzschluß und die Spule ein Leerlauf. Somit liegt die gesamte eingeschaltete Spannung zunächst an der Spule an und sinkt dann mit zunehmendem Strom durch den Serienschwingkreis aus Spule und Kondensator ab. Zum Zeitpunkt des Ausschaltens einer Spannung an der Spule erzeugt die Spule noch einen Strom, der noch eine gewisse Zeit lang fließt, bis die in der Spule gespeicherte Energie (bzw. die in den Kondensator gespeicherte Energie) abgeflossen ist.
Die Funktionalität des Schaltreglers im stationären Zustand wird nachfolgend Bezug nehmend auf 2 beschrieben. Zum Zeitpunkt, zu dem der Schalter 106 geschlossen wird, liegt die volle Spannung U_Gl 10, 12 an der Diode 104 an. Über den Schalter 106 fließt ein Strom, der den Kondensator 102 lädt. Das Potential an der positiven Ausgangsschiene 114 steigt somit an. Dies führt gleichzeitig zu einem Strom durch die Spule 100.
Im Mittel ist der Strom durch die Spule 100 gleich dem Strom, der an die Last, die zwischen die positive Ausgangsschiene 114 und die negative Ausgangsschiene 116 angeschaltet ist, abgegeben wird.
Nachdem zum Zeitpunkt des Einschaltens des Schalters 106 die volle Spannung an der Diode 104 liegt, und nachdem, wie es vorstehend ausgeführt worden ist, die Spannung an dem Kondensator nicht springen kann, jedoch an der Spule springen kann, wird gleichzeitig zum Einschaltzeitpunkt auch das Potential der negativen Ausgangsschiene 116 angehoben. Unmittelbar zum Einschaltzeitpunkt des Schalters 106 steigt daher das Potential der negativen Ausgangsschiene, während das Potential an der positiven Ausgangsschiene 114 noch im vorherigen Zustand verharrt. Damit nimmt zum Zeitpunkt des Einschaltens des Schalters die Spannung U_SR zunächst etwas ab, bis das positive Potential 114 durch den Ladestrom, der über den Ladeschalter 106 fließt, zugenommen hat.
Irgendwann wird die Steuerung 111 den Umschalter 109 betätigen, derart, dass er nicht mehr mit der positiven Ausgangsschiene 114 sondern mit der negativen Ausgangsschiene 116 verbunden ist. Dies führt dazu, dass der Transistor 106 sperrt, und dass kein Strom mehr von der Quelle 10, 12 in das Netzwerk aus Spule, Diode und Kondensator fließt. Dies führt dazu, dass die Spule als Generator wirkt, dahingehend, dass das Potential am Knoten 103 abfällt und die Spule einen Strom abgibt, der über die Diode 104 den Kondensator 102 lädt, so dass nach dem Ausschalten des Schalters die Spannung U_SR noch etwas weiter ansteigt. Dieser Anstieg wird durch den Strom, der über die Last fließt, gebremst und wird dann, wenn der durch die Last gezogene Strom kleiner wird als der Strom, den die Spule 100 an den Knoten 114 liefert, zu einem Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall wird immer größer, da die Spule irgendwann nicht mehr genug Strom nachliefert. Bevor die Spannung zu klein wird, greift die Steuerung wieder ein und verbindet den Umschalter 109 wieder mit der positiven Ausgangsschiene, was dazu führt, dass der Schalter 106 wieder geschlossen wird und Strom liefert. Aufgrund der vorstehend ausgeführten Zusammenhänge nimmt die Ausgangsspannung U_SR nach dem Einschalten noch etwas weiter ab, bis der positive Knoten 114 des Kondensators „nachgezogen" hat und die Spannung U_SR wieder ansteigt. Irgendwann wird die Steuerung wieder den Umschalter 109 betätigen, dass er mit der negativen Ausgangsschiene 116 verbunden ist, so dass der Transistor 107 gesperrt wird, was wiederum dazu führt, dass die Spannung noch etwas weiter ansteigt, und zwar aufgrund der in der Spule (und dem Kondensator) gespeicherten Energie, die zu einem Strom über die Diode 104 und in den positiven Knoten 114 führt.
Der in 2 gezeigte Schalter 106 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als selbstsperrender NMOS-Transistor ausgeführt. NMOS-Transistoren leiten dann, wenn die Spannung zwischen dem Gate, also dem Steueranschluß 107 und der Source positiv ist. NMOS-Transistoren, die selbstleitend sind, leiten bereits bei einer Spannung U_GS > 0. Bei dem in 2 gezeigten selbstsperrenden NMOS-Transistor muss dagegen die Spannung zwischen dem Gate 107 und der Source (Knoten 118 in 2) größer als die Schwellenspannung U_th des Transistors 106 sein. Aus diesem Grund umfasst die Kopplungseinrichtung 113 von 1 die in 2 gezeigten Elemente Vorschaltwiderstand 113c, Parallelkondensator 113b und Zener-Diode 113a.
Die Zener-Diode 113a ist derart konfiguriert, dass sie ab einer gewissen Durchbruchspannung, die fest konfiguriert ist, als Kurzschluß wirkt, was anders ausgedrückt bedeutet, dass an der Parallelschaltung aus Kondensator 113b und Diode 113a immer die durch die Zener-Diode bestimmte Durchbruchspannung U_Z abfällt. Ist der Umschalter 109 mit der positiven Schiene 114 verbunden, so liegt die an der Zener-Diode abfallende Spannung U_Z direkt zwischen dem Gate und der Source des Transistors an. Der Steuereingang 107 des Transistors wird somit mit der positiven Ausgangsschiene über die Parallelschaltung aus Kondensator und Zener-Diode gekoppelt, dahingehend, dass der Transistor leitend wird.
Die einzige Randbedingung hierfür ist, dass die durch die Zener-Diode bestimmte Durchbruchspannung größer als die Schwellenspannung des Transistors ist. Diese Voraussetzung ist jedoch ohne weiteres zu erfüllen, da typischerweise Schwellenspannungen von Transistoren nicht besonders groß sind und Zener-Dioden mit beliebigen definierten Durchbruchspannungen vorhanden sind. Ferner muss die Zener-Diode nur sehr lose auf den Transistor abgestimmt sein, da der Wert der Durchbruchspannung der Zener-Diode nur größer als die Schwellenspannung U_th des Transistors sein muss. Ob sie viel größer ist oder nicht spielt zunächst keine Rolle. Damit sind die Anforderungen an die Schwellenspannung des Transistors 106 und an die Durchbruchspannung der Diode 113a hinsichtlich der benötigten Toleranz sehr niedrig, derart, dass preisgünstige Transistoren einerseits und preisgünstige Dioden andererseits eingesetzt werden können, was zum einen die Integrierbarkeit wesentlich erleichtert und was zum anderen auch preislich eine Rolle spielt. Dies liegt insbesondere daran, dass bei der Herstellung von integrierten Schaltungen durchaus auf einem Wafer Abweichungen im Hinblick auf die Schwellenspannung des Transistors und im Hinblick auf die Durchbruchspannung der Diode auftreten können.
Nachdem die Anforderungen an den Zusammenhang zwischen Schwellenspannung des Transistors und Durchbruchspannung der Diode jedoch sehr lose sind, können sehr hohe Abweichungen auf einem Wafer in Kauf genommen werden, ohne dass eine Schaltung zum Ausschuss wird. Das erfindungsgemäße Konzept ist somit dahingehend besonders vorteilhaft, dass die Ausschussrate und damit die Kosten des Endprodukts gering gehalten werden können.
Stellt die Steuerung fest, dass der Schalter 105 wieder ausgeschaltet werden soll, so steuert sie den Wechselschalter 109 derart an, dass er mit der negativen Ausgangsschiene verbunden wird. Dies führt dazu, dass das Potential am Gate 107 des Transistors um U_SR kleiner wird als im eingeschalteten Zustand. Damit ist die Spannung an der Source des Transistors 118, die durch das Umschalten zunächst nicht beeinträchtigt wird, wesentlich größer als das Potential am Gateanschluß 107, was unmittelbar dazu führt, dass U_GS negativ wird und der Transistor ausgeschaltet wird, also in einen Leerlaufzustand gebracht wird.
Ein besonderer Vorteil der in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, dass ein definiertes Anlaufen der Schaltung sichergestellt wird. Für das definierte Anlaufen ist es insbesondere zunächst gleichgültig, ob der Wechselschalter 109 zum Zeitpunkt des Einschaltens mit der positiven Ausgangsschiene 114 oder der negativen Ausgangsschiene 116 verbunden ist. Wenn der Umschalter 109 insbesondere als Multiplexer aus Transistoren oder als Inverter realisiert wird, ist es undefiniert, ob der Umschalter 109 mit der oberen Schiene 114 oder der unteren Schiene 116 verbunden ist, wenn davon ausgegangen wird, dass vor dem Einschalten die gesamte in 2 gezeigte Schaltung in spannungslosem Zustand war, dass also alle Potential in der Schaltung auf dem Wert 0 sind.
Von diesem Ausgangs-Zustand, bei dem alle Potentiale gleich 0 sind, wird nachfolgend ausgegangen, um einen Anlaufvorgang der Schaltung in 2 darzustellen. Nachdem alle Potentiale gleich 0 sind, ist auch das Potential zwischen dem Gate 107 und der Source 118 des Schalters gleich 0. Da der Transistor ein selbstsperrender Transistor ist, ist der Schalter zunächst gesperrt. Wird eine positive Spannung 10, 12 zwischen den ersten Eingangsknoten 110 und den zweiten Eingangsknoten 112, der typischerweise der Masseknoten sein wird, angelegt, so wird zunächst der Kondensator C_Z 113b über den Vorwiderstand R_Z aufgeladen, bis die Spannung an dem Kondensator C_Z 113b und der dazu parallelen Z-Diode D_Z die Schwellenspannung U_th des Transistorschalters 106 erreicht. Hierfür ist es, wie es ausgeführt worden ist, unerheblich, ob der Umschalter 109 mit dem Knoten 114 oder dem Knoten 116 verbunden ist.
Ist der Umschalter 109 mit dem Knoten 114 verbunden, so fällt die Spannung U_Z an dem Kondensator 113b ohnehin direkt zwischen dem Gate 107 und der Source 118 des Transistors ab.
Ist dagegen der Umschalter 109 mit der negativen Schiene 116 verbunden, so lädt sich der Kondensator 113b ebenfalls über den Vorwiderstand R_Z auf. Das Potential am Knoten 118, das das Source-Potential des Transistors bestimmt, wird jedoch zunächst nicht aus seinem 0-Wert gebracht, da noch keine Ladung des Kondensators 102, durch die das Potential 118 angehoben werden könnte, stattfindet, da der Umschalter 109 mit der negativen Schiene 116 verbunden ist.
In beiden Fällen des Schalters 109 steigt somit die Gate-Source-Spannung von einem Wert von 0 zum Zeitpunkt des Einschaltens der Quelle 10, 12 durch Betätigen des Schalters 14 in 1 auf einen Wert an, der gleich der Schwellenspannung des Transistors ist. Sobald dies der Fall ist, wird die Drain-Source-Strecke dieses Schalters 106 leitfähig, und der Kondensator C_S wird (unabhängig von der Stellung des Schalters 109) aufgeladen. Der Ladestrom für den Kondensator 102 (C_S) fließt gleichzeitig über die Spule 100 zur Masse 112. Dies führt unmittelbar dazu, dass die Ausgangsspannung U_SR aufgrund der Zunahme des Potentials an der positiven Ausgangsschiene 114 gegenüber dem Potential an der negativen Ausgangsschiene 116 zunimmt. Dieser Aufladevorgang setzt sich fort, bis die Spannung am Kondensator C_S die Spannung an der Z-Diode minus der Schwellenspannung des Schalters 106 erreicht.
Würde der Umschalter 109 mit der positiven Ausgangsschiene 114 verbunden sein, so würde der Ladevorgang immer weiter fortgesetzt, da der Transistor 106 geöffnet ist. Ist der Umschalter 109 dagegen mit der negativen Schiene 116 verbunden, so wird der Schalter dann wieder geschlossen, wenn das Potential zwischen Gate und Source gleich der Schwellenspannung ist. Wenn angenommen wird, dass das Potential an der Source gleich U_SR ist, und wenn angenommen wird, dass das Potential am Gate des Transistors gleich dem Spannungsabfall an der Zener-Diode U_Z ist, so ergibt sich ein Wert U_SR am Ausgang des Schaltreglers, bei dem der Transistor wieder sperrt, als Differenz zwischen der Spannung an der Zener-Diode und der Schwellspannung. Würde nichts weiter unternommen, so würde der Transistor wieder schließen und die Ausgangsspannung würde auf U_SR = U_Z – U_th verharren.
Durch Dimensionierung der Zener-Diode 113a ist dieser „Verharrungswert" der Ausgangsspannung U_SR relativ frei wählbar. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Zener-Diode so dimensioniert, dass U_SR so groß wird, (wenn im „ungünstigen Fall" der Wechselschalter 109 zum Hochfahren mit der negativen Schiene 116 verbunden ist), dass die Steuerung 111, die vorzugsweise von U_SR versorgt wird, bereits arbeiten kann. Die Spannung U_SR wird somit durch Dimensionierung der Zener-Diode (und der Schwellenspannung) so groß gemacht, dass bei Anliegen dieser Spannung an der Steuerung die Zustände an den Knoten in der Steuerung bereits definiert sind.
Die Steuerung wird daher einen Wert U_SR erfassen und mit einem Grenzwert vergleichen. Sobald die Steuerung feststellt, dass U_SR beim Hochfahren den vorbestimmten Zustand erreicht hat, ist die Steuerung 111 wirksam, um sicherzustellen, dass der Umschalter 109 mit der positiven Schiene 114 verbunden ist. War dies bereits beim Anlauf der Fall, so führt die Steuerung 111 hier keine Veränderung des Umschalters 109 durch. War dies jedoch nicht der Fall, also war zum Zeitpunkt des Hochfahrens der Umschalter 109, wie in 2 gezeigt, mit der negativen Schiene 116 verbunden, so wird die Steuerung den Umschalter 109 derart ansteuern, dass nunmehr nicht mehr die negative Schiene 116 an den Steueranschluß 107 gekoppelt ist, sondern dass die positive Schiene 114 an den Steuereingang 107 gekoppelt ist. Damit liegt an der Anode der Z-Diode das Potential der positiven Ausgangsschiene. Hierdurch steigt die Spannung an dem Sieb-Kondensator C_S 102 aufgrund des durch den Ladeschalter 106 fließenden Ladestroms weiter an, bis eine gewünschte Ausgangsspannung an C_S anliegt. Nun folgt die eigentliche Spannungsregelung, indem der Wechselschalter 109 durch die Steuerung 111 hin- und hergeschaltet wird, um den Schalter T ein- bzw. auszuschalten, und um dadurch die Ausgangsspannung U_SR nach Spannungs- und Strom-Bedarf einer Last (in 2 nicht gezeigt) zu regeln.
Die in 2 gezeigte Schaltung ist somit insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass sie definiert hochfährt, wobei es zum Zeitpunkt des Hochfahrens unerheblich ist, in welcher Stellung der Schalter 109 steht. Ferner wird es bevorzugt, die Steuerung 111 derart zu dimensionieren, dass sie bereits dann definiert arbeitet, wenn die Ausgangsspannung gleich der Zener-Dioden-Spannung U_Z minus der Schwellenspannung des Transistors 107 ist. Damit kann ohne eigene Versorgung für die Steuerung 111 der Hochfahrvorgang definiert fortgesetzt werden. Dies führt insbesondere zu einer preisgünstigen Schaltung, da keine speziellen Hochfahr-Maßnahmen getroffen werden müssen, außer der Sicherstellung, dass der Wechselschalter 109 mit der positiven Schiene 114 verbunden ist. Nachdem keine speziellen Maßnahmen erforderlich sind und insbesondere Spannungsüberprüfungen im Hinblick auf die Steuerung 111 etc. durchgeführt werden müssen, findet der Hochfahrvorgang sehr schnell statt.
Des weiteren sei darauf hingewiesen, dass der Spannungsanstieg durch entsprechende Dimensionierung des Widerstands 113c und des Kondensators 113b sehr schnell dimensioniert werden kann. So wird es ohnehin bevorzugt, den Widerstand 113c relativ klein zu dimensionieren, damit die durch ihn erzeugte Verlustleistung nicht in erhebliche Größenordnungen kommt. Ferner wird es bevorzugt, den Kondensator C_Z, der ohnehin nur zur Stabilisierung der Zener-Diode 113a bzw. zu deren (kleiner) Sperrschichtkapazität dient, ebenfalls klein zu dimensionieren, damit er schnell auf die Spannung U_Z aufgeladen wird. Das Hochfahren findet somit derart statt, dass keine Zeitkonstanten berücksichtigt werden müssten, die das Hochfahren des Schaltreglers deutlich abbremsen würden.
3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, das sich von 2 dahingehend unterscheidet, dass der Transistor T 106 nunmehr ein selbstleitender NMOS-Transistor ist, und dass die Kopplungseinrichtung 113 von 1, die in 2 durch die Elemente 113a, 113b, 113c realisiert war, in 3 durch eine einfache Kopplung 113d realisiert ist. Während in 2 das Potential an der ersten Ausgangsschiene oder der zweiten Ausgangsschiene über die Kopplungseinrichtung 113 mit einem Spannungsabfall beaufschlagt worden ist, wird in 3 das Potential an der ersten Ausgangsschiene 114 oder der zweiten Ausgangsschiene 116 durch eine einfache Verbindung unmittelbar mit dem Steueranschluß 107 des Schalters 106 gekoppelt. Der Transistor 106 ist als selbstleitender n-Kanal-MOS-FET oder n-Kanal-JFET ausgeführt. Die Beschaltung des Transistors, der den Ladeschalter 106 bildet, bezüglich Drain und Source ist identisch zu dem Fall von 2.
Die Spannungsquelle bzw. Spannungsabfalleinrichtung aus der Z-Diode mit dem Vorwiderstand und dem parallelen Kondensator von 2 entfällt dagegen bei 3, um eine unmittelbare Potentialkopplung von einer Ausgangsschiene an den Steueranschluß 107 und des Schalters zu erreichen. Vorzugsweise wird die Schwellen-Spannung des Transistors U_Th so dimensioniert, dass sie gleich der Z-Spannung der Z-Diode minus der Schwellen-Spannung des selbstsperrenden MOS-FETs im ersten Fall ist, damit die Ausgangsspannung U_SA im Hochfahrvorgang einen solchen Wert erreicht, durch den die Steuerung 111 bereits betreibbar ist, um zu einem bestimmten Zeitpunkt des Hochfahrvorgangs den Umschalter 109 derart ansteuern zu können, dass er definiert mit der positiven Schiene 114 verbunden ist.
Schwellenspannungen bei selbstleitenden NMOS-Transistoren oder N-JFET-Transistoren sind dahingehend definiert, dass sie eine negative Spannung zwischen Gate und Source des Transistors definieren, bei der der Transistor 106 gerade sperrt. Spannungen, die höher als die negative Schwellenspannung sind, führen dann dazu, dass der Transistor leitet, während Spannungen, die noch negativer als die Schwellenspannung sind, dazu führen, dass der Transistor sperrt.
Im nachfolgenden wird der Hochfahrvorgang der in 3 gezeigten Schaltung erläutert. Wieder wird davon ausgegangen, dass im Ausgangszustand alle Potentiale gleich 0 sind. Damit leitet der Schalter (er ist selbstleitend ausgeführt), was dazu führt, dass das Potential an der Ausgangsschiene 114 angehoben wird. Es sei darauf hingewiesen, dass zum Zeitpunkt des Einschaltens zunächst sowohl der Knoten 114 als auch der Knoten 116 auf das Gleichspannungspotential angehoben werden, dass jedoch die Potentialdifferenz zwischen den Knoten gleich 0 ist. Die beiden Knoten 114 und 116 werden schlagartig angehoben, da der Kondensator, wie es ausgeführt worden ist, zum Zeitpunkt des Einschaltens einer Gleichspannung als Kurzschluß wirkt. Erst dann, wenn Ladung auf den Knoten 114 über den Ladeschalter 106 geliefert wird, entsteht eine Potentialdifferenz zwischen dem Knoten 114 und dem Knoten 116, die dazu führt, dass die Ausgangsspannung U_SR von 0 V auf Werte größer als 0 V ansteigt. Nach dem Einschalten der Spannung wird somit der Kondensator 102 über den Transistor, der selbstleitend ist, aufgeladen.
Würde der Wechselschalter 109, der wieder derart ausgeführt sein kann, dass sein Anfangszustand undefiniert ist, mit der positiven Schiene 114 verbunden sein, so würde der Ladevorgang immer weiter fortgesetzt werden, da Gate und Source des Transistors kurzgeschlossen sind, derart, dass U_GS gleich 0 V ist, was beim selbstleitenden Transistor immer einen Kurzschluß zwischen Drain und Source bedeutet. Würde dagegen der Umschalter 109 mit der negativen Schiene verbunden sein, so würde der Ladezustand irgendwann aufhören, da das Source-Potential, also das Potential der positiven Schiene 114 immer weiter zunimmt. Wenn das Source-Potential größer als die Schwellenspannung ist, wird der Transistor geschlossen und die Ausgangsspannung U_SR steigt nicht mehr weiter an. Daher wird, wie es ausgeführt worden ist, die Schwellenspannung des Transistors 106 derart gewählt, dass eine dann am Ausgang anliegende Ausgangsspannung U_SR bereits ausreichend hoch ist, um die Steuerung 111, die mit der Spannung U_SR versorgt wird, definiert arbeiten zu lassen, damit dieselbe dann den Umschalter 109 von der negativen Schiene 116 trennt und mit der positiven Schiene 114 verbindet, damit der Transistor wieder geöffnet ist, so dass der Ladevorgang des Kondensators 102 weiter fortgesetzt werden kann, bis die Steuerung 111 in den normalen Betrieb übergeht und eine Schaltersteuerung aufgrund einer tatsächlichen gewünschten Ausgangsspannung U_SR vornimmt.
Zusammenfassend ist der Hochfahrvorgang in 3 somit derart, dass zunächst der Schalter T leitet. Nach Anlegen einer positiven Eingangsspannung U_Gl an den Eingang der Schaltung wird der Kondensator 102 über den Schalter T und die Drossel L aufgeladen, bis die Spannung am Kondensator C_S die Schwellenspannung des Schalters T erreicht (wenn der Umschalter 109 mit der negativen Schiene 116 verbunden war). Dann ist die Spannung am Ausgang der Schaltung U_SR bereits so groß, dass ein kontrolliertes Arbeiten des Reglers gewährleistet ist. Dieser schaltet nun den Wechselschalter s_W so, dass am Gateanschluß des Schalters die positive Schiene der Ausgangsspannung U_SR anliegt. Dadurch steigt die Spannung an C_S weiter an, bis die gewünschte Ausgangsspannung an C_S anliegt. Nun folgt die eigentliche Spannungsregelung. Durch Umschalten des Wechselschalters s_W durch die Regelschaltung 111 wird der Schalter T ein- und ausgeschaltet, wodurch die Ausgangsspannung U_SR geregelt wird.
Bezüglich der Dimensionierung der Schwellenspannung des Transistors 106 im Fall von 3 bzw. der Schwellenspannung des Transistors 106 und der Zener-Diodenspannung U_Z von 2 sei darauf hingewiesen, dass diese Wert so dimensioniert werden, dass die Steuerung 111 bei der automatisch ohne Eingriff in die Schaltung und bei vorausgesetzter Stellung des Wechselschalters 109 auf der negativen Schiene 116 erreichte maximale Ausgangsspannungswert U_SR, der sich ohne irgendeine Intervention von selbst ergibt, bereits so groß ist, dass die Steuerung mit U_SR versorgt werden kann.
Wird die Steuerung 111 bzw. werden die Schwellenspannung bzw. die Schwellenspannung und die Zener-Diodenspannung derart dimensioniert, dass die Ausgangsspannung U_SR, die „automatisch" erreicht wird, bereits etwas höher ist als die Spannung, bei der die Steuerung 111 definiert arbeitet, so kann die Steuerung 111 auch derart ausgestaltet sein, um sofort, wenn sie definiert arbeiten kann, also wenn die Eingangsspannung ausreichend groß ist, den Umschalter 109 nach oben, also auf die positive Ausgangsschiene zu legen. So ist der Umschaltzeitpunkt nicht darauf begrenzt, dass immer die maximale automatisch erreichbare Ausgangsspannung vorliegen muss, um den Schalter umzuschalten. Statt dessen ist es erforderlich, dass irgendwann im Hochfahrvorgang sichergestellt wird, dass der Umschalter mit der positiven Ausgangsschiene 114 verbunden ist.
Würde dagegen eine Steuerung verwendet werden, die unabhängig von U_SR arbeitet, so könnte von vornherein, also bereits z. B. zum Zeitpunkt des Einschaltens der Gleichspannung U_Gl sichergestellt werden, dass der Schalter 109 mit der positiven Schiene 114 verbunden ist. Aufgrund der Einfachheit der Schaltung wird es jedoch bevorzugt, dass die Steuerung 111 von der Ausgangsspannung U_SR versorgt wird, wobei in diesem Fall bei der Dimensionierung des Transistors und gegebenenfalls der Diode eher an die Grenze gegangen wird, dahingehend, dass z. B. 90% der sich maximal einstellenden Ausgangsspannung U_SR bis zum Umlegen des Wechselschalters 109 verwendet werden, damit auch die Anforderungen an die Steuerung möglichst gering werden, da typischerweise Schaltungen, die mit geringeren Spannungen bereits einsatzfähig sind, mit den sonstigen Spannungsniveaus der in 2 und 3 gezeigten Schaltungen eher nicht kompatibel sind, so dass eine möglichst hohe automatisch sich einstellende Ausgangsspannung U_SR bevorzugt wird.
Bei den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen wird die Spule nicht, wie in 4, mit der Kathode der Diode gekoppelt, sondern mit der Anode. Dies hat den Vor teil, dass dann, wenn der Umschalter 109 mit der positiven Schiene 114 verbunden ist, das Potential, das zwischen Gate und Source des Transistors erzeugt wird, nicht durch die transienten Charakteristika der Spule beeinträchtigt wird. Wenn jedoch genügend Sicherheit und genügend Festigkeit des Transistors verwendet wurde, kann die Spule bei einem anderen Ausführungsbeispiel auch mit der Diode kathodenseitig gekoppelt sein, derart, dass dann die Umschalteinrichtung 109, wenn sie die positive Schiene mit dem Transistorgate 107 verbindet, gewissermaßen die Spule mit dem Gate des Transistors entweder direkt koppelt oder kurzschließt oder über eine Spannungsabfalleinrichtung indirekt koppelt.
Ein Anordnen der Spule anodenseitig zur Diode hat ferner den Vorteil, dass dann die Eingangsspannung der Schaltung nur durch die Spannungsfestigkeit der drei Elemente Schalter, Diode und Drossel begrenzt. Ferner versorgt sich der Schaltregler selbst und läuft definiert hoch. Das Springen des Gleichtaktpotentials der Ausgangsspannung zwischen der positiven und der negativen Schiene der Eingangsspannung je nach Zustand des Schalters T ist für die Last nicht von primärer Bedeutung, da sie von diesem Springen nichts merkt, da die Last lediglich die Potentialdifferenz zwischen der oberen Ausgangsschiene und der unteren Ausgangsschiene erfährt, jedoch nicht das „absolute" Potential der positiven Ausgangsschiene bzw. der negativen Ausgangsschiene für sich.
Wie es bereits ausgeführt worden ist, ist die Anlaufzeit selbst durch die Dimensionierung von R_Z und C_Z im Fall der in 2 gezeigten Schaltungsvariante bzw. durch den maximalen Drain-Strom I_D, die Induktivität der Drossel L und die Kapazität des Sieb-Kondensators C_S im Fall der Schal tungsvariante von 3 definiert. Eine zusätzliche Anlauf-Verzögerung zur Sicherstellung der Spannungs-Versorgung des Reglers wird nicht benötigt.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass durch das erfindungsgemäße Konzept der Eingangsspannungs-Bereich, der üblicherweise auf ein Eingangsspannungs-Verhältnis von U_E,max/U_E,min ≤ 5 beschränkt ist, erfindungsgemäß auf mindestens 50:1 erhöhbar ist, so lange die Spannungsfestigkeit der Diode, der Spule und des Schalters entsprechend mitgeführt wird, da diese Elemente durch die Eingangsspannung beaufschlagt werden. Dagegen werden weder der Kondensator noch der Umschalter noch die Steuerung mit derart hohen Spannungen beaufschlagt, so dass für diese Elemente die maximale Eingangsspannung nicht berücksichtigt werden muss, was wiederum zu einem preisgünstigeren und gleichzeitig flexibleren Schaltreglerkonzept gemäß der vorliegenden Erfindung führt.

Claims

Schaltregler zum Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung, mit folgenden Merkmalen: einer ersten Ausgangschiene (114); einer zweiten Ausgangsschiene (116), wobei eine Ausgangsschiene auf ein negatives Potential und die andere Ausgangsschiene auf ein positives Potential bringbar sind; einer Diode (104), die mit einer Ausgangsschiene (114, 116) verbunden ist; einem Ladeschalter (106), der in Serie zu der Diode (104) geschaltet ist, wobei der Ladeschalter einen Steuereingang (107) aufweist, durch den der Ladeschalter geöffnet oder geschlossen werden kann; einem Kondensator (102), wobei an dem Kondensator die geregelte Ausgangsspannung (U_SR) abgreifbar ist; einer Induktivität (100), die mit der Diode (104) gekoppelt ist; einer Umschalteinrichtung (109), die steuerbar ist, um abhängig von einem Umschaltsteuersignal die erste Ausgangsschiene oder die zweite Ausgangsschiene mit dem Steuereingang (107) des Ladeschalters zu koppeln, wobei der Ladeschalter ausgebildet ist, um aufgrund eines Potentials an einer Ausgangsschiene geschlossen zu sein, und aufgrund eines Potentials an der anderen Ausgangsschiene geöffnet zu sein; und einer Steuerung (111) zum Liefern des Umschaltsteuersignals, um den Ladeschalter (106) zu schließen, damit der Kondensator (102) geladen wird, und um den Ladeschalter zu öffnen, damit der Kondensator entladen wird, so dass die Ausgangsspannung (U_SR) regelbar ist.
Schaltregler nach Anspruch 1, bei dem der Ladeschalter (106) als Transistor ausgebildet ist, wobei ein Steuereingang des Transistors den Steuereingang des Ladeschalters darstellt.
Schaltregler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Ladeschalter als selbstleitender Transistor ausgebildet ist, der ab einer Schwellenspannung zwischen einem Gateanschluß und einem Sourceanschluß sperrbar ist, wobei die Schwellenspannung derart eingestellt ist, dass ein Potential einer Ausgangsschiene in einem Betriebszustand des Schaltreglers so hoch ist, um betragsmäßig größer als die Schwellenspannung zu sein, um den Transistor zu sperren, und dass ein Potential der anderen Ausgangsschiene so eingestellt ist, um betragsmäßig kleiner als die Schwellenspannung zu sein, um den Transistor leitend zu machen.
Schaltregler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Transistor ein selbstsperrender Transistor mit einer Schwellenspannung ist, und bei dem die Umschalteinrichtung (109) eine Einrichtung (113) zum Erzeugen eines Spannungsabfalls aufweist, die einerseits mit dem Gateanschluß des selbstsperrenden Transistors gekop pelt ist, und die andererseits abhängig von dem Umschaltsteuersignal mit der ersten oder der zweiten Ausgangsschiene koppelbar ist, wobei die Einrichtung (113) zum Erzeugen eines Spannungsabfalls (U_Z) so dimensioniert ist, dass der Spannungsabfall betragsmäßig größer als die Schwellenspannung ist, um den Transistor leitend zu machen, wenn die Umschalteinrichtung mit einer Ausgangsschiene gekoppelt ist.
Schaltregler nach Anspruch 4, bei dem die Einrichtung (113) zum Erzeugen eines Spannungsabfalls eine Diode (113a) aufweist, deren Durchbruchspannung den Spannungsabfall (U_Z) definiert.
Schaltregler nach Anspruch 5, bei dem die Diode (113a) eine Zener-Diode ist.
Schaltregler nach Anspruch 5 oder 6, bei der der Diode ein Stabilisierungskondensator (113b) parallel geschaltet ist.
Schaltregler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die Einrichtung (113) zum Erzeugen eines Spannungsabfalls (U_Z) einen Vorwiderstand (113c) aufweist, der zwischen einem Drain-Anschluß des Transistors und dem Steuereingang des Transistors geschaltet ist.
Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Eingangsspannung zwischen einem Anschluß des Ladeschalters (110), der nicht mit der Diode verbunden ist, und einem Anschluß der Diode, der nicht mit dem Ladeschalter (106) verbunden ist, anlegbar ist.
Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Ausgangsschiene (116), die mit einer Kathode der Diode (104) verbunden ist, eine positive Ausgangsschiene ist, bei dem eine Ausgangsschiene (116), die über die Induktivität (100) mit einer Anode der Diode (104) gekoppelt ist, eine negative Ausgangsschiene ist, so dass die Ausgangsspannung (U_SR) ein Gleichtaktpotential hat, das sich von einem Gleichtaktpotential einer Eingangsspannung (10, 12) unterscheidet.
Schaltregler nach Anspruch 10, bei dem die Induktivität (100) über einen Shunt-Widerstand (101) mit der negativen Ausgangsschiene (116) gekoppelt ist.
Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die positive Ausgangsschiene ohmsch mit dem Anschluß des Ladeschalters gekoppelt ist, der mit der Diode (104) verbunden ist.
Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuerung (111) ausgebildet ist, um durch die Ausgangsspannung mit Spannung versorgt zu werden.
Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuerung (111) eine Anlaufsteuereinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um die Umschalteinrichtung (109) so anzusteuern, dass spätestens dann, wenn eine Spannung (U_SR) an dem Kondensator (102) einen vorbestimmten Wert erreicht, der Umschalter (109) angesteuert wird, um mit der Ausgangsschiene verbunden zu werden, die mit einer Kathode der Diode (104) gekoppelt ist.
Schaltregler nach Anspruch 14, bei dem die Umschalteinrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen eines Spannungsabfalls (U_Z) aufweist, bei dem die Steuerung (11) ausgebildet ist, um von der Ausgangsspannung versorgt zu werden, bei der der Schalter (106) ein selbstsperrender Transistor mit einer Schwellenspannung ist, und bei der der Spannungsabfall (U_Z) und die Schwellenspannung so dimensioniert sind, dass eine Differenz zwischen dem Spannungsabfall (U_Z) und der Schwellenspannung (U_th) ausreichend ist, damit die Steuerung (111) determiniert den Umschalter (109) betätigen kann.
Schaltregler nach Anspruch 1, bei dem die Umschalteinrichtung eine direkte Kopplung (113d) zwischen dem Umschalter (109) und dem Steueranschluß (107) des Ladeschalters umfasst, bei dem der Ladeschalter (106) ein selbstleitender Transistor mit einer Schwellenspannung ist, bei dem die Steuerung (111) durch die Ausgangsspannung (U_SR) versorgt wird, und bei dem die Schwellenspannung des Transistors (106) so dimensioniert ist, dass die Steuerung bei einer Schwellenspannung des Transistors als Versorgungsspannung den Umschalter (109) definiert mit der Ausgangsschiene (114) verbinden kann, die mit einer Kathode der Diode (104) gekoppelt ist.
Schaltregler nach Anspruch 1, bei dem die Steuerung (111) ausgebildet ist, um durch die Ausgangsspannung (U_SR) versorgt zu werden, und bei dem die Steuerung (111) ausgebildet ist, um dann, wenn die Ausgangsspannung (U_SR) einen Pegel erreicht, bei dem die Steuerung (111) den Umschalter (109) determiniert ansteuern kann, den Umschalter (109) anzusteuern, damit der Steuereingang (107) des Ladeschalters (106) mit der Ausgangsschiene (114) gekoppelt ist, die mit einer Kathode der Diode (104) gekoppelt ist.
Verfahren zum Steuern eines Hochfahrens eines Schaltreglers mit einer ersten Ausgangschiene (114); einer zweiten Ausgangsschiene (116), wobei eine Ausgangsschiene auf ein negatives Potential und die andere Ausgangsschiene auf ein positives Potential bringbar sind; einer Diode (104), die mit einer Ausgangsschiene (114, 116) verbunden ist; einem Ladeschalter (106), der in Serie zu der Diode (104) geschaltet ist, wobei der Ladeschalter einen Steuereingang (107) aufweist, durch den der Ladeschalter geöffnet oder geschlossen werden kann; einem Kondensator (102), wobei an dem Kondensator die geregelte Ausgangsspannung (U_SR) abgreifbar ist; einer Induktivität (100), die mit der Diode (104) gekoppelt ist; und einer Umschalt einrichtung (109), die steuerbar ist, um abhängig von einem Umschaltsteuersignal die erste Ausgangsschiene oder die zweite Ausgangsschiene mit dem Steuereingang (107) des Ladeschalters zu koppeln, wobei der Ladeschalter ausgebildet ist, um aufgrund eines Potentials an einer Ausgangsschiene geschlossen zu sein, und aufgrund eines Potentials an der anderen Ausgangsschiene geöffnet zu sein, und einer Steuerung (111) zum Liefern des Umschaltsteuersignals, um den Ladeschalter (106) zu schließen, damit der Kondensator (102) geladen wird, und um den Ladeschalter zu öffnen, damit der Kondensator zu entladen ist, mit folgenden Schritten: Anlegen einer Gleichspannung (10, 12) zwischen eine Anode der Diode (104) und einen Anschluß (110) des Ladeschalters (106), der nicht mit einer Kathode der Diode (104) verbunden ist; Versorgen der Steuerung (111) mit der Ausgangsspannung (U_SR) zwischen der ersten Ausgangsschiene (114) und der zweiten Ausgangsschiene (116); und Ansteuern des Umschalters (109) durch die Steuerungseinrichtung (111), wenn die Ausgangsspannung (U_SR) einen Wert erreicht hat, bei dem die Steuerung (111) determiniert arbeiten kann, um den Umschalter (109) mit der Ausgangsschiene (114) zu verbinden, die mit der Kathode der Diode (104) gekoppelt ist.