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Die
Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker mit den Merkmalen des
Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Ansteuern eines
Leistungsverstärkers.
Insbesondere ist die Erfindung für
einen Verstärker
vorgesehen, der hohe Ausgangsspannungen und/oder -ströme bei hoher
Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit
liefern soll. Ein solcher Verstärker
kann zum Beispiel ein Gradientenverstärker eines Kernspintomographen
sein.
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Aus
der
DE 38 22 990 A1 sind
mehrere Ausführungsformen
eines Leistungsverstärkers
insbesondere für
den Niederfrequenz- und Tonfrequenzbereich bekannt. In einer dieser
Ausführungsformen
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 weist der Leistungsverstärker eine Steuerschaltung auf,
an die mehrere Schaltendstufen über
je eine Steuerleitung angeschlossen sind. Die Steuerschaltung beinhaltet
ihrerseits einen Vormodulator, der durch erste Übertragungsleitungen mit einer
entsprechenden Anzahl von Pulsdauermodulatoren verbunden ist. Die
Pulsdauermodulatoren sind über
zweite Übertragungsleitungen
an eine gemeinsame Referenzoszillatorstufe und über die Steuerleitungen an
die Schaltendstufen angeschlossen.
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Im
speziellen Anwendungsfall eines Kernspintomographen, für den die
Erfindung insbesondere vorgesehen ist, wird ein magnetischer Feldgradient
von einer Gradientenspule erzeugt, die ihrerseits an einen Gradientenverstärker angeschlossen
ist. Der Gradientenverstärker
liefert Spannungen in der Größenordnung von
einigen hundert bis einigen tausend Volt, um in der Gradientenspule
einen genau geregelten Strom hervorzurufen. Dieser Strom schwankt
in einer vorgegebenen Stromverlaufskurve zum Beispiel zwischen 0
und 300 A.
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Derartige
Gradientenverstärker
mit einer Schaltendstufe sind gut bekannt, zum Beispiel aus der
DE 40 24 160 A1 .
Die Schaltendstufe weist typischerweise vier zu einer H-Brücke verbundene
Schaltelemente auf. Je ein Schaltsignal wird zur Ansteuerung je
eines Schaltelements erzeugt. Das Schaltsignal übermittelt die binäre Information "Schaltelement ein" oder "Schaltelement aus".
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Ferner
sind Verstärker
mit mehreren Schaltendstufen bekannt, die ausgangsseitig in Reihe
geschaltet sind. Solche Gradientenverstärker werden für moderne
Bildgebungsverfahren eingesetzt, bei denen besonders hohe Ausgangsspannungen
erforder lich sind. Die
DE
43 04 517 A1 zeigt einen derartigen Verstärker mit zwei
oder mehr Endstufen. Jede Endstufe weist zwei oder vier Eingänge auf,
an denen Schaltsignale von Steuereinheiten anliegen.
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Es
ist weiter bekannt, zur Übertragung
eines Schaltsignals von der Steuereinrichtung zur Endstufe eine
Signalübertragungsstrecke
mit einem Lichtwellenleiter oder Optokoppler zu verwenden. Dies
ist angesichts der hohen Spannungen und Ströme in der Endstufe erforderlich.
Wenn eine unmittelbare Leitungsverbindung zwischen der Steuereinrichtung
und der Endstufe bestehen würde,
dann könnten
Störimpulse
an die empfindliche, als Kleinsignalteil ausgebildete Steuereinrichtung übertragen
werden.
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Es
besteht jedoch das Problem, daß eine
zur Verwendung in einem Gradientenverstärker geeignete Signalübertragungsstrecke,
insbesondere eine solche mit einem Lichtwellenleiter, relativ aufwendig
und teuer ist. Schon bei einem Gradientenverstärker mit einer einzigen Endstufe
werden vier solche Signalübertragungsstrecken
benötigt.
Für einen
Verstärker
mit beispielsweise fünf
Endstufen, die je eine Vollbrücke
aufweisen, sind 20 Übertragungsstrecken
erforderlich. Dies verursacht hohe Kosten. Bei der Ausführung mit
Optokopplern werden überdies
vielpolige Leitungen mit entsprechenden Steckern und Buchsen benötigt. Wegen
der vielen Kabel oder Lichtwellenleiter besteht ferner eine erhebliche
Vertauschungsgefahr sowohl bei der Herstellung als auch bei der
Wartung.
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Die
Erfindung hat demgemäß die Aufgabe,
die genannten Probleme zu lösen
und den baulichen Aufwand für
einen Leistungsverstärker
zu verringern, insbesondere, wenn es sich um einen Leistungsverstärker mit
mehreren Endstufen handelt.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Leistungsverstärker mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9
gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die
Erfindung geht von der Grundidee aus, den Modulator zur Erzeugung
der Schaltsignale für
die Schaltelemente der mindestens einen Endstufe nicht dem Kleinsignalteil
des Leistungsverstärkers,
sondern der mindestens einen Endstufe zuzuordnen. Der Modulator
erhält
geeignet kodierte Ansteuerdaten in Form eines Datensignals. Zur
Kodierung der Ansteuerdaten wird ein serielles Datenübertragungsprotokoll
eingesetzt.
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Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen
wird der für
den Leistungsverstärker
erforderliche Aufwand sehr verringert. Zur Übertragung des Datensignals
von der Steuereinrichtung zum Modulator wird im allgemeinen nur
eine einzige Datenübertragungsstrecke
benötigt.
Wegen der hohen Kosten für
jede Datenübertragungsstrecke
ist dies eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu bekannten
Verstärkern,
bei denen für jedes
Schaltelement eine eigene Datenübertragungsstrecke
für das
zugeordnete Schaltsignal vorgesehen ist. Auch die Montage und Wartung
vereinfacht sich, und Fehler werden vermieden.
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Die
Vorteile der Erfindung wirken sich um so deutlicher aus, je mehr
Schaltendstufen vorhanden sind und je mehr Schaltsignale für diese
benötigt
werden. Daher ist die Erfindung insbesondere für Leistungsverstärker vorgesehen,
die mehr als eine Schaltendstufe aufweisen. Auch bei einem Verstärker mit
nur einer Schaltendstufe ist die Erfindung jedoch schon mit Gewinn
einsetzbar.
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Vorzugsweise
beinhalten die Ansteuerdaten Informationen über einen Betriebsmodus der
Schaltendstufe beziehungsweise je ei nen Betriebsmodus der Schaltendstufen.
Ein solcher Betriebsmodus kann zum Beispiel ein Vollastbetrieb oder
ein Freilaufbetrieb oder ein modulierender Betrieb sein. Im letztgenannten
Modus bestimmen die Ansteuerdaten bevorzugt auch einen Aussteuerungsgrad
oder eine Pulsdauer oder ein Tastverhältnis (duty cycle) derjenigen
Endstufe, die sich im modulierenden Betrieb befindet. Falls mehrere Endstufen
vorhanden sind, wird durch die Ansteuerdaten vorzugsweise für jede Endstufe
unabhängig
voneinander je ein Betriebsmodus festgelegt.
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Die
vom Modulator erzeugten Schaltsignale sind vorzugsweise binäre Signale,
die einen "Ein"- beziehungsweise
einen "Aus"-Zustand je eines Schaltelements der
Endstufe(n) angeben.
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Das
gemäß dem seriellen
Datenübertragungsprotokoll
bestimmte Datensignal ist vorzugsweise ein binäres Signal mit einer Breite
von einem Bit. In diesem Fall reicht eine entsprechend einfache
Datenübertragungsstrecke
aus. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, daß das Datensignal eine Breite
von einigen wenigen Bits aufweist oder mehr als zwei Signalzustände einnehmen
kann, solange nur die Übertragung
zumindest teilweise seriell erfolgt.
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Bevorzugt
ist die Datenübertragungsstrecke
zur potentialgetrennten und/oder optischen Übertragung des Datensignals
eingerichtet. Insbesondere kann ein Lichtwellenleiter verwendet
werden. Wenn das Datensignal eine Breite von einem Bit hat, kann
ein einziger Lichtwellenleiter ausreichen.
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In
dem Datenübertragungsprotokoll
werden vorzugsweise mehrere zu übertragende
Datenbits zu einem Datenübertragungsrahmen
zusammengefaßt.
Die korrekte Datenübertragung
wird vorzugsweise mittels eines oder mehrerer Sicherungsbits überprüft. Beispielsweise
kann eine Paritätskontrolle
durchgeführt
wer den. In Weiterentwicklungen der Erfindung können auch Fehlerkorrekturbits
vorgesehen sein. Bevorzugt werden die einzelnen Datenbits mittels
einer Pulsweitenmodulation des Datensignals codiert. Falls ein Fehler
bei der Datenübertragung
erkannt oder sonst eine Notabschaltung ausgelöst wird, ist der Modulator
vorzugsweise dazu eingerichtet, die mindestens eine Endstufe in
einen sicheren Betriebszustand zu überführen.
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Die
oben beschriebenen und/oder die beanspruchten bevorzugten Ausgestaltungen
der Erfindung betreffen gleichermaßen das Verfahren wie die Vorrichtung,
auch wenn sie nicht ausdrücklich
sowohl in Zusammenhang mit dem Verfahren als auch der Vorrichtung
beschrieben und/oder beansprucht wurden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
und mehrere Ausführungsalternativen
der Erfindung werden nun unter Hinweis auf die schematischen Zeichnungen
genauer beschrieben. Es stellen dar:
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1 ein
Blockschaltbild eines an eine Last angeschlossenen Leistungsverstärkers, und
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2 Zeitdiagramme
eines Taktsignals sowie eines Datensignals bei der Übertragung
eines "1"-Bits, eines "0"-Bits und eines Startbits.
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Der
in 1 dargestellte Leistungsverstärker ist als Gradientenverstärker eines
Kernspintomographen ausgebildet. Er weist eine Steuereinrichtung 10 mit
einem Kodierer 12 auf. Ein Ausgang des Kodierers 12 ist
mit einem Sender 14 einer optischen Datenübertragungsstrecke 16 verbunden.
Der Sender 14 kann zum Beispiel aus einer lichtemittierenden
Diode mit einer entsprechenden Treiberschaltung gebildet sein und
ist über
einen Lichtwellenleiter 18 an einen geeigneten Empfänger 20 angeschlossen,
der seinerseits mit einem Dekodierer 22 verbunden ist.
Der Empfänger 20 weist
beispielsweise einen Fototransistor mit einer entsprechenden Auswertungsschaltung
auf. Der Dekodierer 22 ist Bestandteil eines Modulators 24.
Insgesamt dient die Datenübertragungsstrecke 14 zur
galvanisch entkoppelten Übertragung
eines ein Bit breiten Datensignals DAT von der Steuereinrichtung 10 zum
Modulator 24. In Ausführungsalternativen
kann die Datenübertragungsstrecke
einen Optokoppler oder eine andere galvanische Trenneinrichtung
aufweisen.
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Der
Leistungsverstärker
weist in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel drei Schaltendstufen 26, 28, 30 auf.
In Ausführungsalternativen
sind mehr oder weniger Schaltendstufen, beispielsweise eine, vier oder
fünf, vorgesehen.
Jede Schaltendstufe weist eine – in 1 nur
schematisch gezeigte – Vollbrücke aus vier
Schaltelementen auf, von denen je zwei in Reihe geschaltet und an
eine Versorgungsspannung angeschlossen sind. Die Schaltelemente
sind im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
als IGBTs mit integrierten Freilaufdioden ausgebildet. Die Ausgangsspannung
jeder Schaltendstufe 26, 28, 30 wird
am Brückenquerzweig
abgegriffen. Die Schaltendstufen 26, 28, 30 sind
ausgangsseitig in Reihe geschaltet und an eine als Last 32 dienende
Gradientenspule angeschlossen.
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Die
Schaltendstufe 26 erhält
vom Modulator 24 vier Schaltsignale S1 über je eine potentialgetrennte Verbindung,
die beispielsweise einen Optokoppler aufweist. Die vier Schaltsignale
S1 werden von geeigneten Treibern verstärkt und an die vier Schaltelemente
der Endstufe 26 geleitet. Jedes Schaltsignal vermag ein Schaltelement
entweder in einen Leitoder einen Sperrzustand zu schalten. Entsprechend
versorgt der Modulator 24 die Schaltendstufe 28 mit
vier Schaltsignalen S2 und die Schaltendstufe 30 mit vier
Schaltsignalen S3.
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In
der in 1 gezeigten Schaltung bildet die Steuereinrichtung 10 einen
Kleinsignalteil des Leistungsverstärkers, während der Modulator 24 und
die Endstufen 26, 28, 30 den Leistungsteil
des Verstärkers bilden.
Die Steuereinrichtung 10 ist in dem hier beschriebenen
Ausführungsbeispiel
als geeignet programmierter Mikroprozessor oder digitaler Signalprozessor
(DSP) ausgestaltet, und der Kodierer 12 ist als ein Modul des
Steuerprogramms für
diesen Prozessor implementiert. Der Modulator 24 ist eine
digitale Schaltung. In unterschiedlichen Ausführungsvarianten kann der Modulator 24 als
eine einzige Baugruppe oder in Form mehrerer Module ausgebildet
sein. Der Modulator 24 kann einen oder mehrere PLDs (PLD
= programmable logic device, programmierbarer Logikbaustein) aufweisen.
Insbesondere kann jeder Endstufe 26, 28, 30 ein
Modul des Modulators 24 und/oder ein PLD zugeordnet sein.
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Im
Betrieb des in 1 gezeigten Verstärkers errechnet
die Steuereinrichtung 10 Ansteuerdaten für die Endstufen 26, 28, 30.
Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird durch die Ansteuerdaten für
jede Endstufe 26, 28, 30 ein Betriebsmodus
sowie ein Aussteuerungsgrad oder Tastverhältnis (duty cycle) angegeben.
In Ausführungsalternativen
enthalten die Ansteuerdaten andere oder mehr oder weniger Informationen.
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Grundlage
der durch die Steuereinrichtung 10 ausgeführten Berechnung
ist eine vorgegebene Stromkurvenform (Sollwert) des durch die Last 32 fließenden Stroms.
Um diese Stromkurvenform möglichst
genau zu erreichen, wird nach einem an sich bekannten Regelverfahren
unter Berücksichtigung
des Stromistwertes die jeweils erforderliche Ausgangsspannung des
Leistungsverstärkers
ermittelt. Die Steuereinrichtung 10 bestimmt dann geeignete
Ansteuerdaten, also für
jede Endstufe 26, 28, 30 einen Betriebsmodus
und gegebenenfalls einen Aussteuerungsgrad, um diese Ausgangsspannung
zu erzeugen.
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Im
einfachsten Fall wird durch die Ansteuerdaten eine identische Ansteuerung
der Endstufen 26, 28, 30 festgelegt,
so daß diese
zu jedem Zeitpunkt zu gleichen Teilen zur Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers beitragen.
Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
implementiert die Steuereinrichtung 10 jedoch ein Ansteuerverfahren,
bei dem zu jedem Zeitpunkt eine einzige Endstufe 26, 28, 30 in
einen modulierenden Betrieb geschaltet ist, während die übrigen Endstufen 26, 28, 30 entweder
in einen Vollaussteuerungsbetrieb oder in einen Freilaufbetrieb
geschaltet sind. Ein derartiges Ansteuerverfahren ist in der gleichzeitig
eingereichten Anmeldung desselben Erfinders mit dem Titel "Verfahren zum Erzeugen
von Steuersignalen für
einen Leistungsverstärker
und Leistungsverstärker" genau beschrieben.
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Die
ermittelten Ansteuerdaten werden vom Kodierer 12 nach dem
im folgenden beschriebenen seriellen Datenübertragungsprotokoll in ein
ein Bit breites, serielles Datensignal DAT zusammengefaßt.
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Das
serielle Datenübertragungsprotokoll
sieht in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Bitkodierung
mittels einer Pulsweitenmodulation vor, wie dies in 2 veranschaulicht
ist. Zur Übertragung
eines Datenbits werden vier Zyklen eines Systemtakts CLK von beispielsweise
32 MHz benötigt,
so daß sich insgesamt
ein Bittakt von 8 MHz ergibt. Eine logische "1" wird
dadurch übermittelt,
daß das
Datensignal DAT zunächst
einen Taktzyklus lang einen Mark-Zustand und dann drei Zyklen lang
einen Space-Zustand einnimmt (zweite Zeile in 2).
Eine logische "0" wird, wie in der
dritten Zeile von 2 gezeigt, durch einen drei
Taktzyklen dauernden Mark-Zustand gefolgt von einem Space-Zustand
während
eines Taktzyklus übertragen.
Neben den logischen Werten "1" und "0" sieht das Datenübertragungsprotokoll einen
Startwert START vor, der durch einen vier Taktzyklen langen Mark-Zustand
repräsentiert
wird (vierte Zeile in 2). Da bei den drei übertragbaren
Bitwerten "1", "0" und "START" die ansteigenden Flanken mit den Flanken
des Systemtakts CLK zusammenfallen und periodisch wiederkehren,
kann der Systemtakt CLK im Empfänger 20 auf
einfache Weise zurückgewonnen
werden.
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In
dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
werden die zu übermittelnden
Ansteuerdaten gemäß dem Datenübertragungsprotokoll
zu Datenübertragungsrahmen
von je 36 Bit zusammengefaßt.
Bei dem oben genannten Bittakt vom 8 MHz dauert die Übermittlung
eines kompletten Datenübertragungsrahmens
etwa 4,5 μs.
Jeder Datenübertragungsrahmen
beginnt mit einem Startbit "START". Die weiteren Daten
dieses Rahmens werden aufeinanderfolgend ohne weitere Startbits übertragen.
Eine beispielhafte Belegung der einzelnen Bitpositionen im Datenübertragungsrahmen
zeigt die folgende Tabelle. In Ausfüh- rungsalternativen sind andere Belegungen
vorgesehen:
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Nach
dem Startbit, das die erste Bitposition im Datenübertragungsrahmen einnimmt,
folgen drei Headerbits. Diese Bits ermöglichen eine Kennzeichnung
von acht unterschiedlichen Formaten des Datenübertragungsrahmens. Im hier
beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird nur das eine oben gezeigte Format genutzt. In Ausführungsvarianten
sind dagegen unterschiedliche Formate vorgesehen, um mehr und/oder
andere Daten zu übertragen.
Dies können
beispielsweise Pulsdauer- und/oder Betriebsmodusdaten für weitere
Endstufen oder Daten für
Konfigurations- oder Wartungszwecke sein. Bei einem hier vorgesehenen
Endstufen-Schalttakt von 100 kHz ist eine Aktualisierung der Ansteuerdaten
in einem Zeitraster von 10 μs
sinnvoll, um eine maximale Systemdynamik zu erzielen. Da die Übertragung
eines Datenrahmens nur 4,5 μs
dauert, kann problemlos ein weiteres Datenpaket zwischen je zwei
der oben dargestellten Datenübertragungsrahmen eingefügt werden.
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An
der fünften
Bitposition befindet sich ein Shutdownbit. Dieses Bit wird gesetzt,
um bei Störfällen eine Endstufennotabschaltung
bereits am Beginn des Übertragungsrahmens
auszulösen.
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Die
Bits an der sechsten und siebten Position geben die Stromrichtung
des Ausgangsstroms an. Dadurch können
die Schaltsignale für
diejenigen Schaltelemente der Endstufen 26, 28, 30 unterdrückt werden, bei
denen der Stromfluß momentan
durch die zugeordnete Freilaufdiode erfolgt. Das achte Bit des Datenrahmens
bestimmt das Vorzeichen (Polarität)
der Ausgangsspannung.
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Bits
9 bis 20 enthalten als 12-stellige Binärzahl einen Wert, der den Aussteuerungsgrad
einer modulierenden Endstufe, also deren Tastverhältnis (duty
cycle) angibt. Wie bei den anderen Werten des Datenübertragungsrahmens
erfolgt die Übertragung
in der Reihenfolge von der geringstwertigen zur höchstwertigen
Stelle (LSB = least significant bit; MSB = most significant bit).
Eine eindeutige Zuordnung des übertragenen
Wertes zu der modulierenen Schaltendstufe ist in dem hier beschriebenen
Ausführungsbeispiel
möglich,
weil sich zu jedem Zeitpunkt nur je eine Schaltendstufe in einem
modulierenden Betriebszustand befindet. In Ausführungsalternativen erfolgt
diese Zuordnung auf andere Weise.
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Die
Bits an den Positionen 21 bis 23 bestimmen den Betriebsmodus der
Schaltendstufe 26. Einer von insgesamt acht Betriebsmodi
kann ausgewählt
werden. Vorgesehen sind beispielsweise ein modulierender Betriebsmodus,
ein Freilaufbetriebsmodus (die Schaltendstufe 26 leitet
den Strom im Lastkreis bei einer Endstufen-Ausgangsspannung Null),
ein positiver und negativer Vollaussteuerungsbetriebsmodus und ein
Betriebsmodus, bei dem alle Schaltelemente der Schaltendstufe 26 geöffnet sind.
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Entsprechend
sind an den Positionen 24 bis 35 je drei aufeinanderfolgende Bits
zum Festlegen der Betriebsmodi von maximal vier weiteren Schaltendstufen
vorgesehen. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind nur noch
die zwei Schaltendstufen 28 und 30 vorhanden;
der Datenübertragungsrahmen
ist jedoch für
Leistungsverstärker
mit bis zu fünf
Schaltendstufen vorgesehen.
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Der
Datenübertragungsrahmen
wird durch ein Paritätsbit
zur Fehlererkennung abgeschlossen (Bitposition 36).Dieses Paritätsbit wird
vom Kodierer 12 derart gesetzt, daß die Anzahl der "1"-Bits in jedem Datenrahmen stets gerade
oder stets ungerade ist. Eine Paritätsverletzung wird vom Dekodierer 22 als
Fehlerzustand interpretiert und löst eine Notabschaltung des
Leistungsverstärkers
aus.
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Die
vom Kodierer
12 gemäß dem oben
beschriebenen Protokoll zu dem Datensignal DAT zusammengefaßten Ansteuerdaten
werden über
die Datenübertragungsstrecke
16 zum
Dekodierer
22 übermittelt.
Der Dekodierer
22 erzeugt aus dem Datensignal DAT wieder
die gesendeten Ansteuerdaten. Diese werden im Modulator
24 nach
einem an sich bekannten Modulationsverfahren in die Schaltsignale
S1, S2, S3 für
die Schaltendstufen
26,
28,
30 umgesetzt.
Die Schaltsignale S1, S2, S3 sind pulsweitenmodulierte Signale.
Hinsichtlich des Ansteuerverfahrens wird beispielhaft auf die Offenbarung
der
DE 40 24 160 A1 verwiesen,
die ausdrücklich
in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Bei dem dort beschriebenen
Verfahren werden bei jeder Richtung des Laststromes je zwei in der
Brückenschaltung
diagonal gegenüberliegende
Schaltelemente periodisch getaktet. Der Aussteuerungsgrad bestimmt
sich durch die Überlappung
der Einschaltzeiten dieser Schaltelemente. Zusätzlich werden jeweils zwei
in der Brückenschaltung
in Reihe liegende Schalter in Gegenphase getaktet. In Ausführungsalternativen
sind andere Modulationsverfahren vorgesehen.
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Neben
diesem normalen Betriebsmodus löst
der Modulator 24 eine Notabschaltung aus, wenn entweder
das Shutdownbit (Position fünf
im Datenübertragungsrahmen)
gesetzt ist oder ein Paritätsfehler
erkannt wurde. In diesem Fall wird der Laststrom mit einer vorbestimmten
Stromänderungsgeschwindigkeit
auf Null heruntergefahren. Alle Endstufen 26, 28, 30 werden
dann abgeschaltet.
