DE3716826A1 - Elektromagnetischer konverter - Google Patents
Elektromagnetischer konverterInfo
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- H02P8/12—Control or stabilisation of current
Description
Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetischen
Konverter nach der Gattung des Hauptanspruchs. Solche
elektromagnetischen Konverter sind in vielfältiger
Form und Ausführung bekannt; im Grunde bildet jede
Spule einen elektromagnetischen Konverter, da der sie
durchfließende Strom sich nach außen als von der Spule
erzeugtes Magnetfeld äußert. Praktische Anwendungen
solcher elektromagnetischen Konverter sind beispielsweise
Elektromotoren beliebiger Art, also Schrittmotoren,
Synchronmotoren, Asynchronmotoren, Gleichstrommotoren,
andererseits aber auch die elektromagnetischen Wandler
bei Lautsprechersystemen, bei denen in einem stationären
Magnetfeld eine beweglich, üblicherweise über eine
Membran aufgehängte Spule von einem sich nach Größe
und Richtung ändernden Wechselstrom durchflossen wird
und daher eine Spulenbewegung resultiert, die sich
über die Membran der Umgebung als Schallenergie mitteilt.
Da die Erfindung alle diese Anwendungsmöglichkeiten
betrifft, darüber hinaus aber auch eine neue Möglichkeit
beinhaltet, in beliebiger Weise ausnutzbare, nach Richtung
und Größe variable Magnetfeldenergien zu erzeugen, die auch
beispielsweise vom Sprechkopf eines Tonbandgeräts der
Aufmagnetisierung entsprechendem Bandmaterial oder der Ab
lenkung eines Elektronenstrahls, z.B. in der Fernsehröhre,
oder ähnlicher Anwendungsbereiche dienen werden im folgenden
zwar genauer bekannte Schaltregler einmal zum Betrieb von
Elektromotoren sowie von Lautsprechern zum Stand der
Technik besprochen - es versteht sich aber, daß die Er
findung auf diese Anwendungsformen nicht beschränkt ist.
So ist es beispielsweise bekannt, einen elektrischen
Schrittmotor als eine der Möglichkeiten des Einsatzes
eines elektromagnetischen Wandlers monopolar oder
bipolar anzusteuern. Bei der monopolaren Ansteuerung
müssen im Wickelraum des Elektromotors zwei Feldteilwick
lungen untergebracht werden, von denen je nach Drehrichtung
immer nur eine der Wicklungen überhaupt aktiv ist.
Die Ansteuerung erfolgt dann unter Verwendung einer
gegebenen Versorgungsstromquelle über einen gemeinsamen
Umschalter, der alternativ entweder die eine oder die
andere Feldteilwicklung des Schrittmotors an Versorgungs
spannung legt. Je nach Tastverhältnis des Umschalters
läßt sich dann Stärke und Richtung des magnetischen
Flusses einstellen, wobei der Schaltungsaufwand vergleichs
weise gering, die größeren Verluste und die schon erwähnte
schlechte Ausnutzung des Wickelraums nachteilig sind.
Geht man zur bipolaren Aussteuerung über, dann benötigt
man lediglich eine einzige, den erforderlichen magneti
schen Fluß in beiden Richtungen erzeugende Feldwicklung,
nutzt also den zur Verfügung stehenden Wickelraum gut
aus, benötigt andererseits aber einen erhöhten Schaltungs
aufwand, um über mehrere, mehrpolig umschaltende Schalter
die eine Versorgungsspannung jeweils vorzeichenrichtig
an die Feldspule anzuschalten.
In den Bereich der elektromagnetischen Wandler oder
Konverter gehören auch Lautsprecher, deren bisherige
Ansteuertechnik darin besteht, daß grundsätzlich getrennte
Einheiten für Verstärker und Lautsprecher vorgesehen
sind, auch wenn bei bestimmten Ausführungsformen von
Lautsprecherboxen Endstufenverstärker bei den Boxen
angeordnet sind.
Werden Lautsprecher beispielsweise von sogenannten
PDM-Verstärkern (Verstärker mit Puls-Dauer-Modulation)
angesteuert, um hier auf einen neueren Stand der Technik
einzugehen, dann sind bei solchen PDM-Verstärkern zwar
unterschiedliche Bauarten bekannt, nämlich der sogenannte
Buck-Konverter, wie er beispielsweise in dem Buch Tietze-
Schenk, 5. Aufl., S. 391 beschrieben ist und der sogenannte
Brücken-Cuk-Konverter, wie er beispielsweise
in dem Buch "Advances in Switch-mode Power-conversion",
Bd. 2, S. 409 beschrieben ist - nach Slobodan Cuk/R.D. Middlebrook
und in dem US-Patent 41 86 437 beschrieben ist.
Bei dem einfachen Buck-Konverter sind vier Teilbereiche
zu unterscheiden, nämlich der den Modulatorteil bildende
Eingangsregler, dem die Eingangsspannung zugeführt
wird, ein dem Regler nachgeschalteter Schalterteil,
ein sich an diesen anschließender, zum Teil sehr aufwendiger
Filter, um die Schaltfrequenz und deren Oberwellen zu
dämpfen, sowie der eigentliche Lautsprecher als separater
elektromagnetischer Wandler. Besonders nachteilig ist bei
dem einfachen Buck-Konverter der hohe Filteraufwand an
den Ein- und Ausgängen.
Bei dem Brücken-Cuk-Konverter ist der Aufwand
ähnlich mit dem Unterschied, daß bei dieser Schaltung
die Ein- und Ausgangsfilter mit in den Wandler integriert
sind, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht, aber auch
der erforderliche Schaltungsaufwand, da im Prinzip
zwei Wandler aufgebaut werden müssen.
Auf eine weitere bekannte Konverterschaltung ist noch
einzugehen, da bei der Realisierung vorliegender Erfindung
eine bestimmte, mit dem bekannten Konverter vergleichbare
Schaltungsgrundkonfiguration ebenfalls vorgesehen ist.
Es handelt sich hier um den bekannten Gleichstrom/Gleich
strom-Schaltverstärker von Slobodan uk, wie er etwa
in dem US-Patent 41 84 197 beschrieben ist.
Der Grundaufbau des uk-Schaltkonverters, der in der
Lage ist, eine Eingangsgleichspannung an einem am Ausgang
angeschalteten Verbraucher, beispielsweise Widerstand,
in eine Ausgangsgleichspannung umzuwandeln, die größer
oder kleiner als die Eingangsgleichspannung ist und
nur einen sehr geringen Oberschwingungsgehalt aufweist,
ist in einer, wie man zunächst meinen möchte, vergleichs
weise einfachen Weise so getroffen, daß an eine Eingangs
versorgungsgleichspannung eine erste Spule angeschaltet
ist, die in Reihe mit einem Kondensator liegt, an welchen
sich die Reihenschaltung einer zweiten Spule anschließt,
die gegen Masse oder Nullpotential einen Ausgangskonden
sator aufweist, an dem dann parallel der Last- oder
Verbraucherwiderstand liegt. Ein Umschalter verbindet
dabei alternativ und mit einem Tastverhältnis, aus
welchem sich die Höhe der Ausgangsgleichspannung bestimmt,
die beiden Verbindungspunkte jeder der Spulen mit dem
zugewandten Kondensatoranschluß mit Masse, so daß sich
bei jeder Stellung des Umschalters zwei unterschiedliche
Schaltungskonfigurationen ergeben.
Ist der der Versorgungsspannung näherliegende Verbindungs
punkt der ersten Spule mit dem Reihenkondensator gegen
Masse geschaltet, dann liegt die erste Spule an der
Versorgungsspannung und wirkt als elektromagnetischer
Speicher, wobei ein bestimmter Strom fließt, während
der Kondensator sich gleichzeitig im geschlossenen
Kreis mit der zweiten Spule und dem Ausgangskondensator
befindet. In der anderen Schaltstellung, in welcher
der Verbindungspunkt der zweiten Spule mit dem Kondensator
gegen Masse oder die Nullpotentialschiene geschaltet
ist, befindet sich der mittlere Kondensator zusammen
mit der ersten Spule im ersten geschlossenen Stromkreis,
während gleichzeitig die zweite Spule mit dem Ausgangskon
densator einen zweiten geschlossenen Stromkreis bildet.
Der Umschalter bei diesem bekannten Schaltkonverter
von uk kann in beliebiger Weise ausgebildet sein;
er kann beispielsweise auch aus einem bipolaren Transistor
bestehen, der den ersten Verbindungspunkt je nach Aussteuerung
mit Nullpotential verbindet, wobei der zweite Verbindungs
punkt über eine für positive Spannungen durchlässig
geschaltete Diode ständig mit Nullpotential verbunden
ist; die Diode wird jedoch immer
nur dann leitend geschaltet, wenn der in dieser Schaltung
durch die Ansteuerung des bipolaren Transistors sozusagen
hin- und herspringende mittlere Reihenkondensator dies
zuläßt.
Die grundsätzliche Funktion dieses Gleichstrom/Gleichstrom-
Schaltkonverters kann so gesehen werden, daß der Energie
transport in drei Schritten erfolgt, indem nämlich
zunächst die erste Spule aufgeladen wird; dann wird
der Reihenkondensator aufgeladen. Wird dann wieder
die erste Spule aufgeladen, dann gibt gleichzeitig
der Kondensator seine Energie an die zweite Spule ab,
wobei diese dann bei der anderen Schaltstellung, in
der der Kondensator wieder aufgeladen wird, ihre Energie
über den Ausgangskondensator an den Lastwiderstand
abgibt. Der grundsätzliche Verlauf der Ströme in den
beiden, durch die Umschaltung jeweils gebildeten Kreisen
ist so, daß dieser im ersten Kreis zunächst ansteigt
und anschließend abfällt, wobei der Stromverlauf im
zweiten Kreis grundsätzlich die gleiche, angenäherte
Dreieckform hat, lediglich mit entgegengesetzten Vorzeichen.
Da der Reihenkondensator in der Ladephase mit dem rechten
Anschluß und in der Entladephase mit dem linken Anschluß
an Masse geschaltet wird, hat die Ausgangsgleichspannung
entgegengesetzte Polarität zur Eingangsversorgungsgleich
spannung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektro
magnetischen Schaltwandler zu schaffen, der bei einfachem
Aufbau (geringe Anzahl der erforderlichen Bauelemente)
einen guten Wirkungsgrad mit einer entscheidenden Verein
fachung der Regelstrecke verbindet.
Der erfindungsgemäße elektromagnetische Konverter löst
diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß die miteinander
elektromagnetisch gekoppelten Spulen, die Speicherele
mente des durch die Erfindung realisierten symmetrischen
Schaltreglers darstellen, gleichzeitig die Träger der
Ausgangsgrößen bilden, also beispielsweise bei einem
Elektromotor dessen Feldspulen oder bei einem Lautsprecher
die Schwingspule darstellen.
Die Erfindung ist aber nicht in einer, wie man meinen
könnte, einfachen Zusammenfassung von Bauteilen zu
sehen, sondern beruht auf der entscheidenden Erkenntnis,
daß durch grundsätzliche Modifikationen am Cuk-Gleich
strom/Gleichstrom-Konverter dieser als System zur Erzeugung
eines nach Richtung und Größe steuerbaren Magnetfeldes
eingesetzt werden kann, wenn man am Ausgang eine (zweite)
Versorgungsspannung zuführt, die Speicheraufgaben erfüllenden
Spulen elektromagnetisch miteinander koppelt und das
Tastverhältnis der Umschaltvorgänge als Variable einsetzt.
Dabei ist davon auszugehen, daß bei einem Tastverhältnis
von 50% und dem hier zugrundegelegten symmetrischen
Aufbau des Systems effektiv kein Strom fließt, also
auch keine Magnetfeldäußerung nach außen erfolgt. Der
mittlere Kondensator ist in einem solchen Fall auf
das Doppelte der Versorgungsspannung konstant aufgeladen
und die Spulenströme sind bis auf einen kleinen Wechsel
anteil gleich Null.
Ausgehend von diesem, sozusagen den Ruhezustand des
Systems charakterisierenden Schaltzustand mit Tastver
hältnis von 50% (Tastverhältnis D = t/T = 0,5; mit
t = Einschaltdauer des Schalters und T = Periodendauer)
läßt sich dann durch Änderung des Tastverhältnisses
ein Stromfluß in der einen oder der anderen Richtung
erzeugen, je nachdem, ob man D größer oder kleiner
als 50% macht. Es wird dann im Kern der miteinander
gekoppelten Spulen ein Magnetfluß erzeugt, der sich
in der Richtung ändern kann, je nachdem, ob das Tastverhältnis
größer oder kleiner als 50% gemacht wird und dessen
Ausmaß oder Amplitude sich daraus bestimmt, wie stark
das Tastverhältnis von dem Ruhezustands-Wert von 50%
in der einen oder anderen Richtung abweicht. Auf
diese Weise läßt sich die gesamte Wicklung bei drastischer
Reduzierung der Schalteranzahl ausnutzen. Mit anderen
Worten, die Ausgangsseite des modifizierten Systems
ist nunmehr gebildet von den beiden miteinander gekoppelten
Spulen, während die bisherige Eingangsseite und die
bisherige Ausgangsseite die Versorgungsspannung(en)
führen und die Signaleingangsseite von dem Tastverhältnis
bestimmt ist. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit
wie bisher beim bekannten Stand der Technik über einen
separaten Verstärker mit hohen Verlusten Richtung und
Stärke eines Stroms zu variieren und mit diesem Strom
einen nachgeschalteten separaten elektromagnetischen
Wandler zu beaufschlagen, wobei eine solche Konfiguration
in der einen oder anderen Form grundsätzlich bisher
zugrundegelegt werden mußte.
Durch die erfindungsgemäße Lösung, den elektromagnetischen
Wandler direkt im Verstärker, genauer gesagt im symmetrischen
Schaltregler zu integrieren, ist der die gewünschte
Magnetfeldänderung erzeugende bzw. aussteuernde symmetrische
Schaltregler Verstärker, elektronische Schaltung und
elektromagnetischer Wandler in einem; denn die beiden
als Speicherelemente des symmetrischen Schaltreglers
und diesen daher überhaupt erst realisierenden elektro
magnetisch miteinander gekoppelten Spulen sind in der
getroffenen Aufteilung gleichzeitig die Feldspule des
durch die Erfindung realisierten elektromagnetischen
Wandlers.
Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber der bis
herigen, notwendigerweise immer separaten Auslegung von
einem dem elektromagnetischen Wandler vorgeschalteten Ver
stärker, der stets hohe Verluste aufweist, wenn ein
konstanter Strom nach Richtung und Stärke variiert werden
soll. Diese Vorteile bestehen gegenüber dem Stand der
Technik auch dann, wenn bei diesem geschaltete Verstärker
eingesetzt werden, die die dem elektromagnetischen Wandler
zugeordnete elektronische Schaltung bilden. Auch in die
sem Fall müssen zwei unterschiedliche Systeme eingesetzt,
entsprechend bemessen und betrieben werden.
Es sei nochmals hervorgehoben, daß diese Feststellungen
auch zutreffend sind, wenn anstelle bisheriger bekannter
elektronischer Schaltungen oder Verstärker der weiter vorn
ausführlich erläuterte Cuk-Konverter eingesetzt ist, der
ebenfalls immer nur eine Art Netzteil bilden kann für die
nachgeschalteten Systeme, gegebenenfalls auch elektro
magnetischen Wandler.
Infolge der durch die Erfindung geforderten und vorausge
setzten elektromagnetischen Kopplung der beiden Spulen
können diese mit entsprechenden Eisenkernen, Transformator
blechen o. dgl. geschaltet werden, beispielsweise als
Schwingspulen eines Lautsprechers. Dabei ist der
magnetische Gleichfluß bei einem Tastverhältnis von
50% identisch Null.
Im mathematisch angenommenen Idealfall, nämlich mit
angenommener unendlich großer Kapazität des Mitten
kondensators und idealen Spulen (ohne ohmsche Verluste)
müßte der im Kern auftretende magnetische Feldfluß
ebenfalls unendlich großen Werten zustreben, was durch
die realen Gegebenheiten der Schaltung, die ohmschen
Widerstände der Verdrahtung u. dgl. natürlich nicht
möglich ist, wenn das Tastverhältnis von 50% abweicht.
Empirisch kann man sich die Gründe für die verlust
freie Stromsteuerung in den gekoppelten Spulen über
das Tastverhältnis dadurch erklären, daß durch die
Anordnung einer Spannungsquelle am (bisherigen) Aus
gang des Cuk-Konverters, abgestimmt auf ein bestimmtes
Tastverhältnis, bei welchem sonst eine Spannung dieser
Größe am Ausgang erscheinen würde, notwendigerweise
keine Leistung mehr geschaltet wird. Durch die Änderung
des Tastverhältnisses in der einen oder anderen
Richtung kann dann der im symmetrischen Schaltregler
fließende Strom in der einen oder anderen Richtung
praktisch verlustfrei bestimmt werden, so daß sich
über die Spulenkopplung die Möglichkeit ergibt,
diese sofort als Träger einer elektromagnetischen
Ausgangsgröße zu identifizieren, wobei das Tastverhältnis
den Energietransport in der einen oder anderen Richtung
und damit die Richtung des elektromagnetischen Spulen
feldes bestimmt. Der magnetische Fluß ist proportional
zum im symmetrischen Schaltregler durch die Signaleingangs
größe "Änderung des Tastverhältnisses" bestimmten Erre
gerstrom , wodurch eine Vielzahl von Möglichkeiten
für Regelungen bei praktischen Ausführungsformen gegeben
sind.
Neben dem Vorteil der Bauteilaufwandreduzierung - bei
einem Motor werden beispielsweise zur Ansteuerung nur
zwei statt bisher vier elektronischer Schalter pro
Wicklungsstrang benötigt - ergeben sich insbesondere
auch bei der Ansteuerung von Lautsprechersystemen erhebliche
Vorteile, da nunmehr eine digitale Signalführung bis
in den Luftspalt möglich ist. Passive Frequenzweichen und die
Nachteile langer Zuleitungen entfallen, so daß ein hoher
Dämpfungsfaktor erreichbar ist. Der Wirkungsgrad durch
die Verwendung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen
Schaltwandlers ist besonders groß, wobei die Schaltfrequenz
durchaus in den Bereich von einigen hundert kHz gelegt
werden kann, so daß der Stromripple (Oberwellengehalt)
klein ist und für die erforderlichen Hochfreguenztransfor
matoren und Kondensatoren Bauteile mit geringen Abmessun
gen eingesetzt werden können. Die Lautstärke bei der
Ansteuerung von elektromagnetischen Schallwandlern
(Lautsprechern) kann über die dem Schaltwandler zugeführte(n)
Versorgungsspannung(en) oder die Aussteuerung eines
Pulsbreitenmodulators eingestellt werden, der das Umschalt
verhalten des Schalters, der in diesem Fall durch schnelle
Halbleiterschaltelemente ersetzt ist, steuert.
Aufgrund des Umstandes, daß es sich bei der Erfindung
einem verallgemeinerten Grundprinzip nach um einen
sogenannten Boost Buck-Konverter handelt, können nicht
nur, wie bei üblichen Steuerungen sonst auch, kleinere
Spannungen als die Betriebsspannung erzeugt werden,
sondern auch höhere.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen
Schaltwandlers bei Audioanlagen ist es erstmals möglich,
den Signalweg von der Programmquelle bis zum Lautsprecher
chassis digital auszuführen, einschließlich der erforder
lichen Frequenzweiche(n), so daß sich ein extrem gutes
Filterverhalten, wie bei den bekannten CD-Spielern
schon ausgeführt, erzielen läßt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafteWeiterbildungen und Verbesserungen
des im Hauptanspruch angegebenen elektromagnetischen
Schaltwandlers oder -konverters möglich. Besonders
vorteilhaft ist eine Ausführungsform unter Verwendung
eines zusätzlichen Transformators, bei dem dann auf
die Zuführung einer gesonderten, in der Polarität zur
ersten Versorgungseingangsspannung umgekehrten Spannung
verzichtet und diese vorzeichenrichtig über den Trans
formator aus der dann lediglich einen verbleibenden
Versorgungsspannung gewonnen werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisiert eine erste Ausführungsform der
Erfindung zur Motoransteuerung und bei Einsatz
einer bipolaren Versorgungsspannung;
Fig. 2 schematisiert eine zweite Ausführungsform vor
liegender Erfindung, ebenfalls zur Motoransteue
rung mit der Möglichkeit einer monopolaren Ver
sorgungsspannung;
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel vorliegender
Erfindung zur Schrittmotoransteuerung in detail
lierter Schaltungsdarstellung;
Fig. 4 eine Ausführungsform vorliegender Erfindung
zur Ansteuerung der Schwingspulen eines Laut
sprechers in der Realisierungsform eines puls
dauermodulierten Verstärkers mit bipolarer Span
nungsversorgung;
Fig. 5 ein der Darstellung der Fig. 4 ähnliches Aus
führungsbeispiel zur Schwingspulen-Ansteuerung
eines Lautsprechers mit monopolarer Versorgungs
spannung;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform vorliegender Erfin
dung als geregelten pulsdauermodulierten Verstärker;
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform vorliegender Erfin
dung in Form eines pulsdauermodulierten Verstär
kers zur Ansteuerung der Schwingspulen von Laut
sprechersystemen;
Fig. 8 in Form eines Diagramms die Abhängigkeit des
erzeugten magnetischen Flusses nach Richtung
und Größe über dem Tastverhältnis B;
Fig. 9 in schematisierter Darstellung eine mögliche
Ausführungsform einer digitalen Audioanlage
unter Verwendung des erfindungsgemäßen, elektro
magnetischen Schaltwandlers.
Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin,
einen elektromagnetischen Schaltwandler dadurch zu
realisieren, daß durch Zuführung einer in ihrer Polarität
zur Eingangsversorgungsspannung entgegengesetzten zweiten
Versorgungsspannung am Ausgang eines Gleichstrom/Gleich
strom-Konverters für ein vorgegebenes Tastverhältnis
ein Ruhezustand des Systems ohne vorhandenem Stromfluß
definiert wird und die beiden dann elektromagnetisch
miteinander gekoppelten, gleichzeitig Speicherelemente
des so entstandenen symmetrischen Schaltreglers bildenden
Spulen gleichzeitig die gemeinsame Feldspule des elektro
magnetischen Wandlers sind. Die Änderung des Tastverhält
nisses ist dann die Signaleingangsgröße, die den elektro
magnetischen Schaltwandler aussteuert.
Das in Fig. 1 dargestellte einfache Ausführungsbeispiel
in schematisierter Form zeigt eine Möglichkeit zur
Motoransteuerung über eine Feldspulenwicklung mit Kern
oder geschichtetem Eisenblech, wobei die Grundstruktur
aus zwei miteinander in Reihe geschaltete Speicherdros
seln 10 und 11 besteht, die zwischen sich einen Kondensator
12 einschließen und gleichzeitig die (gesteuerten)
Feldwicklungen des Motors von an sich zunächst beliebiger
Ausbildung darstellen. Beispielsweise können die Feld
wicklungen 10, 11 stationär angeordnet sein und auf
einen Rotor mit Permanentmagneten arbeiten, wobei der
gemeinsame Kern 13 der beiden Feldwicklungsteile gleich
zeitig die elektromagnetische Kopplung der Spulen oder
Speicherdrosseln 10, 11 bewirkt und die nach Richtung
und Größe variable Magnetfeldenergie, die von dem elektro
magnetischen Schaltwandler abgegeben wird, durch seine
magnetische Permeabilität, etwa nach Art eines Joches,
richten bzw. bündeln kann.
Ein Umschalter 14 schaltet die beiden Schaltungspunkte
P 1 und P 2, die jeweils die Verbindungspunkte der ersten
Speicherdrossel oder Spule 10 mit dem Kondensator 12
bzw. der zweiten Speicherdrossel oder -spule 11 mit
dem Kondensator 12 bezeichnen, alternativ gegen Masse
oder Nullpotential, gegen welches auch die beiden an
den jeweils freien Spulenanschlüssen zugeführten Gleichspan
nungen definiert sind, also die Versorgungsgleichspannung
+ U B am Eingang E 1 als freiem Anschluß der ersten Spei
cherspule 10 und die Versorgungsspannung - U B gleicher
Größe, jedoch entgegengesetzter Polarität am anderen
Versorgungseingangsanschluß E 2, gebildet vom freien
Anschluß der zweiten Speicherspule 11.
Dieser absolut symmetrische Aufbau des elektromagnetischen
Schaltwandlers vervollständigt sich noch, worauf besonders
hingewiesen wird, durch den Wicklungssinn der beiden
Speicherspulen 10 und 11, der entgegengesetzt gerichtet
ist; dieser Wicklungssinn ist in dieser und den nach
folgenden Darstellungen jeweils in der üblichen Weise
durch einen entsprechenden Punkt am Wicklungsanfang
markiert.
Je nach Tastverhältnis D, d.h. in Abhängigkeit davon,
ob D < 50% oder D < 50% ist, ändert sich die Richtung
des von der Feldspule abgegebenen magnetischen Flusses
und entsprechend dem Ausmaß der Abweichung des Tastver
hältnisses D vom Ruhezustands-Tastverhältnis D = 50%
die Stärke des mit dieser Schaltung der Fig. 1 zur
Motoransteuerung erzeugten magnetischen Flusses.
Da bei bestimmten Ausführungsformen die Notwendigkeit,
eine in der Polarität entgegengesetzte zweite Versor
gungsspannung am Eingang E 2 zuführen zu müssen, wenn
nicht problematisch, so doch gegebenenfalls unbequem
sein kann, sind entsprechend einer vorteilhaften Ausgestal
tung vorliegender Erfindung Mittel vorgesehen, um den
elektromagnetischen Schaltwandler mit einer Eingangs
versorgungsspannung nur einer gegebenen Polarität be
treiben zu können.
Zum besseren Verständnis wird zunächst auf die dem
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 gleichwertigen, jedoch
im Aufbau jeweils in Richtung auf eine bestimmte vorge
gebene Endform, die in Fig. 2 dargestellt ist, verän
derten Schaltungsformen a) und b) verwiesen, wobei
in der Schaltung der Fig. a), zunächst der Mittenkon
densator 12 in zwei separate Kondensatoren 12 a und
12 b aufgeteilt ist. Man erkennt, daß sich hierdurch
eine funktionelle Änderung gegenüber der Ausführungsform
der Fig. 1 nicht ergeben kann, auch dann nicht, wenn
entsprechend der bei b) gezeigten Abwandlung die Ver
bindung der beiden Kondensatoren 12 a und 12 b aufgetrennt
und eine Kopplung über einen zusätzlichen Transformator
15 mit dem Wicklungsverhältnis 1:1 eingeführt wird, mit
dem durch die Punkte an den Wicklungsanfängen gekenn
zeichneten, also gleichsinnigen Wicklungssinn beider
Transformatorspulen.
Kehrt man dann allerdings bei der Ausführungsform ent
sprechend b) die Wicklungsrichtungen einer der Speicher
spulen, hier der Speicherspule 11 sowie der dieser
Seite zugeordneten Transformatorwicklung um, was durch
die Umstellung der den Wicklungssinn kennzeichnenden
Punkte in Fig. 2 angegeben ist, dann kann man nunmehr
auch am anderen Versorgungseingangsanschluß E 2 eine
Gleichspannung mit der Polarität der dem ersten Ver
sorgungseingangsanschluß E 1 zugeführten Spannung + U B
zuführen, so daß sich hieraus, indem man die Eingangs
versorgungsanschlüsse für die lediglich nur noch eine
verbleibende Gleichspannung + U B zusammenfaßt, die Schal
tungskonfiguration der Fig. 2 ergibt, die lediglich
eine Umstellung der bei b) in Fig. 1 gezeigten Schaltung
ist. Durch die Einfügung eines Übertragers 15 ist es
daher möglich, den symmetrischen elektromagnetischen
Schaltwandler mit nur einer Versorgungsspannung zu
betreiben.
Die Darstellung der Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausfüh
rungsform für eine Schrittmotoransteuerung in größerem
Detail, wobei sie im Grundprinzip auf der in Fig. 2
gezeigten Schaltungsform basiert.
In Übereinstimmung mit dem bekannten Stand der Technik
wird hier zur Erzeugung eines Drehfeldes bei der An
steuerung eines Schrittmotors die Grundschaltung zweimal
benötigt; bei einem Dreiphasenmotor müßte dann entsprechend
die Schaltung dreimal vorgesehen sein.
Die beiden Stränge des Schrittmotors sind in Fig. 3
mit 10 a, 11 a bzw. 10 a′, 11 a′ bezeichnet, so daß man
auch erkennt, daß es sich hier jeweils um die beiden
Speicherspulen jeweils eines elektromagnetischen Schalt
wandlers handelt, dessen Grundform in Fig. 1 gezeigt
ist. Die beiden für die Polaritätsumkehr an dem anderen
Versorgungseingang erforderlichen Übertrager und Trans
formatoren sind mit 15 a und 15 a′ bezeichnet, während
für den Umschalter als schnelle Schalter sogenannte
SipMos-Transistoren 14 a, 14 b; 14 a′, 14 b′ eingesetzt
sind, die durch spezielle vorgeschaltete Treiber ange
steuert werden.
Als Kondensatoren 12 a, 12 b; 12 a′, 12 b′ sind entsprechend
schaltfeste Typen ausgewählt und eingesetzt, die den
erforderlichen Motorstrom aushalten.
Man erkennt auch hier, daß aufgrund des symmetrischen
Aufbaus bei einem Tastverhältnis der die Umschaltungen
vornehmenden SipMos-Transistoren 14 a, 14 b bzw. 14 a′,
14 b′ von 50% der jeweilig Stranggleichstrom i = 0 ist, während
bei D < 50% der Strangstrom positiv und bei D < 50%
negativ wird. Dadurch läßt sich im Feld ein Fluß in
beiden Richtungen einstellen, dessen Größe sich aus dem
Ausmaß der Abweichung des Tastverhältnisses vom
Wert D = 50% ergibt. Um in beiden Motorsträngen ein
Drehfeld mit 90° Phasenverschiebung zu erreichen, wird
zur Ansteuerung der Transistorschalter ein Sinus-Cosinus-
Generator 16 verwendet. Zur Impulsformung und Bestimmung des Tast
verhältnises (D) sind die um die erwähnten 90° versetzten Sinus- und Cosinus-
Ausgangsspannungen des Generators 16 über Pulsdauer
modulatoren 36 a, 36 b geführt, an deren Ausgängen die
jeweils um 90° zueinander versetzten Ansteuerimpulse
in Form einer Rechteckausgangsspannung auftreten, die
dann jeweils über einen nichtinvertierenden und einen
invertierenden Verstärker 17 a, 17 b bzw. 17 a′, 17 b′
auf die Steuereingänge der Schalttransistoren gelangen.
Ein der schematisierten Darstellung der Fig. 1 vergleich
bares Ausführungsbeispiel zur Ansteuerung der Schwingspulen
eines Lautsprechers ist in Fig. 4 dargestellt und bildet
einen sogenannten PDM-Verstärker (pulsdauermoduliert),
wobei die beiden Speicherspulen 10 b, 11 b des PDM-Verstärkers,
der auch hier in der Grundform ein elektromagnetischer
Schaltwandler ist, wiederum mit einem zentralen Konden
sator 12′ in Reihe geschaltet sind. Die beiden Speicher
drosseln oder -spulen 10 b, 11 b bilden gleichzeitig
die Schwingspulen des Lautsprechers, wobei, wie auch
bei den vorherigen Ausführungsbeispielen, die hier im
Rhythmus beispielsweise eines im Tonfrequenzbereich
liegenden Signals erfolgende Veränderung des Tastverhält
nisses des Umschalters 14′ die Schallabstrahlung des
Lautsprechers bestimmt.
Will man die negative Versorgungsspannung - U B einsparen,
dann kann auch hier durch die Hinzufügung eines Übertra
gers oder Transformators 15′ in einer der Schaltungsmodi
fikation der Fig. 2 vergleichbaren Umwandlung mit dann
zwei Kondensatoren 12 a′, 12 b′ gearbeitet werden, wobei
wohlgemerkt der Wicklungssinn der zweiten Speicherspule
oder des zweiten Schwingspulenteils 11 b′ und der zweiten
Übertragerspule wieder dem Wicklungssinn der jeweils
ersten Spule entgegengesetzt wird.
Wie auch bei den Ausführungsbeispielen zur Motoransteuerung,
bei denen dies nicht gesondert dargestellt ist, können
Stärke und Richtung des die Ausgangsgröße jeweils bildenden
magnetischen Flusses gemessen werden, da der magnetische
Fluß zum Erregerstrom proportional ist. Damit ergeben
sich Möglichkeiten für den Aufbau einer Regelung des
elektromagnetischen Schaltwandlers, was anhand der
Darstellung der Fig. 6 in Verbindung mit einem PDM-Ver
stärker zur Ansteuerung der Schwingspulen von Lautspre
chersystemen gezeigt ist.
Der Aufbau der Schaltung der Fig. 6 entspricht in der
Grundkonzeption des elektromagnetischen Schaltwandlers
dem PDM-Verstärker der Fig. 5 mit der Ausnahme, daß in
Serie mit den beiden Schwingspulen 10 b; 11 b′ je ein (hin
reichend niederohmiger) Meßwiderstand 18 a, 18 b geschaltet
ist, an denen je eine Meßspannung U M 1, U M 2, die pro
portional zu dem jeweiligen Spulenstrom ist, abfällt. Da
die beiden Spulenströme im Kern 13 a entgegengesetzte
Felder erzeugen, mussen die beiden Meßspannungen U M 1, U M 2
am Summationspunkt 19 subtrahiert werden, um eine dem
Fluß nach Betrag und Richtung proportionale Meßspannung
U M zu erzeugen.
Einem Regler 20 wird die Eingangsspannung U E und die
Magnetfluß-Istwertspannung U M zugeführt; der Reglerausgang
beeinflußt dann entsprechend Ausmaß und Richtung des Tast
verhältnisses des Umschalters 14′. Ein detailliertes
Schaltungsbeispiel für die Ansteuerung eines Lautsprechers,
dessen Schwingspulen 10 c, 11 c des elektromagnetischen
Schaltwandlers gebildet sind, ist in Fig. 7 gezeigt; die
Grundform bei diesem Ausführungsbeispiel ähnelt der Aus
führungsform der Fig. 3, bei der ebenfalls in der
praktischen Ausführungsform der Umschalter durch zwei
schnelle Schalttransistoren (SipMos-Transistoren 14 c, 14 c′)
ersetzt ist.
Der Lautsprecher mit seinen beiden über den Kern 13 a gekop
pelten Schwingspulen 10 c, 11 c ist in Fig. 7 mit 21
bezeichnet; die anderen Schaltungselemente entsprechen
dem üblichen symmetrischen Aufbau. Man erkennt aber
aus der Darstellung der Fig. 7, daß es natürlich möglich
und im Grunde auch bevorzugt ist, die schnellen Schalt
transistoren 14 c und 14 c′ über schnelle Treiber in
Form eines nichtinvertierenden und eines invertierenden
Verstärkers 22 a, 22 b direkt mit digitalen Eingangssignalen
anzusteuern, so daß es entbehrlich wird, zur Erzeugung
der sonst erforderlichen Schaltsignale in Form der
Rechteckimpulsfolgen mit gegebenem Tastverhältnis aus
analogen Signalspannungsverläufen Modulatoren zusätzlich
vorsehen zu müssen.
Steht allerdings zur Ansteuerung nur ein analoges Eingangs
signal U E zur Verfügung, dann kann ein zusätzlicher
Modulator 17 vorgesehen sein, der dann wahlweise über
einen Eingangsumschalter 23 mit seinem dann digitalisier
ten Ausgangssignal über die schnellen Treiber die Schalttransi
storen ansteuert.
Daher ist es auch bei Einsatz vorliegender Erfindung
möglich, beispielsweise Audioanlagen durchgehend digital
auszubilden, und zwar beginnend mit digitalen Programm
quellen bis zum Lautsprecherchassis. Daß sich hierdurch
in besonderer Weise ein störungsfreier Musikgenuß erzielen
läßt, braucht nicht hervorgehoben zu werden. Das Block
schaltbild einer solchen Audioanlage ist in Fig. 9
dargestellt und umfaßt digitale Eingangsprogrammquellen,
nämlich beispielsweise einen CD-Plattenspieler 25,
einen Tuner 26 und ein digitales Tonbandgerät 27, deren
Ausgänge einem digitalen Vorverstärker 28 zugeführt
sind. Der digitale Vorverstärker 28 verfügt über einen
digitalen Eingangswählschalter 29, über entsprechend
ausgebildete digitale Bandpässe 30 und 31 zur separaten
Ansteuerung von Hochtöner-, Mitteltöner- und Tieftöner-
Lautsprecherchassis sowie über den digitalen Bandpassen
nachgeschaltete digitale Modulatoren, die eine Modula
tion von PCM zu PDM (Pulscodemodulation zu Pulsdauer
modulation) durchführen und mit 32 und 33 bezeichnet
sind. An diesen digitalen Modulatoren kann auch die
Lautstärke eingestellt werden, wobei den Modulatoren
dann die digitalen Endstufen beispielsweise für Baß
lautsprecher 34 und Hochtöner 35 nachgeschaltet sind.
Diese Endstufen können so ausgebildet sein, wie im
Detail in Fig. 7 gezeigt, stellen also eine integrale
Kombination jeweils eines elektromagnetischen Schalt
wandlers mit den Schwingspulen der Lautsprecher dar.
Auf den Aufbau digitaler Umschalter, digitaler Bandpässe
als Frequenzweichen oder digitaler Modulatoren braucht
nicht weiter eingegangen zu werden, da solche Systeme
zum bekannten Stand der Technik gehören und hier auch
nur deshalb angeführt sind, um aufzuzeigen, daß es
unter Verwendung dieser bekannten Systeme möglich ist,
auch die bisher noch stets bei Audioanlagen vorhandene
Endstufenproblematik, in welcher dann spätestens die
erforderliche Umsetzung der digitalen Signale in das
analoge Lautsprecheransteuerungssignal vorgenommen
werden muß, in besonders vorteilhafter Weise überwunden
werden kann.
Die Darstellung der Fig. 8 zeigt schließlich noch den
an einem praktischen Ausführungsbeispiel
Verlauf der magnetischen Feldstärke nach Größe und
Richtung anhand des Kurvenverlaufs I über dem Tastverhältnis
D.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen
und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl
einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander
erfindungswesentlich sein.
Claims (14)
1. Elektromagnetischer Konverter (Schaltwandler) zur
Umwandlung elektrischer Energie in eine nach Richtung
und Größe variable Magnetfeldenergie, insbesondere
zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische
Bewegungsenergie (Elektromotor, Schwingspule für
Lautsprecher), mit mindestens einer von einem elektri
schen Strom durchflossenen Spule, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwei mit einem mittleren Kondensator
(12; 12 a, 12 b; 12 a′, 12 b′; 12′; 12 a′′, 12 b′′) in Reihe
geschaltete Spulen (Speicherdrosseln 10, 11; 10,
11′; 10 a, 10 b, 10 a′, 11 a′; 10 b, 11 b′, 10 c, 11 c; 10 b,
11 b) vorgesehen sind, daß die beiden Spulen elektro
magnetisch miteinander gekoppelt sind, daß die beiden
von jeder Spule (Speicherdrosseln 10, 11; 10, 11′;
10 a, 10 b, 10 a′, 11 a′; 10 b, 11 b′, 10 c, 11 c; 10 b,
11 b) mit den zugewandten Kondensatoranschlüssen
gebildeten Verbindungspunkte über einen Umschalter
(14, 14′; 14 a, 14 b, 14 a′, 14 b′; 14 c, 14 c′) mit ein
stellbarem Tastverhältnis alternativ mit Nullpotential
(Masse) verbindbar sind, daß der ersten Spule (10,
10, 10 a′, 10 b, 10 c) eine erste und der zweiten
Spule (11, 11′, 11 a, 11 a′, 11 b, 11 b′, 11 c) eine
zweite, entgegengesetzte Versorgungsspannung (+U B ;
-U B ) zugeführt sind und daß beide Spulen unmittelbar
und gleichzeitig die die variable Magnetfeldenergie
erzeugende(n) Feldspule(n) des Konverters sind.
2. Elektromagnetischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (Speicherdros
seln 10, 11; 10, 11′; 10 a, 10 b, 10 a′, 11 a′; 10 b,
11 b′, 10 c, 11 c; 10 b, 11 b des elektromagnetischen
Schaltwandlers) über einen gemeinsamen Magnetkern
(13, 13,; 13 a) elektromagnetisch gekoppelt sind.
3. Elektromagnetischer Konverter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (Spei
cherdrosseln 10, 11; 10, 11′; 10 a, 10 b, 10 a′, 11 a′;
10 b, 11 b′, 10 c, 11 c; 10 b, 11 b des elektromagnetischen
Schaltwandlers) Teil des elektromagnetischen Wandlers
bei der Ansteuerung eines Elektromotors (Schritt
motor, Synchronmotor, Asynchronmotor, Gleichstrom
motor) sind.
4. Elektromagnetischer Konverter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (Spei
cherdrosseln 10, 11; 10, 11′; 10 a, 10 b, 10 a′, 11 a′;
10 b, 11 b′, 10 c, 11 c; 10 b, 11 b des elektromagnetischen
Schaltwandlers) den elektromagnetischen Wandler
eines Lautsprechers bilden und dessen Membranbewegung
bewirken.
5. Elektromagnetischer Konverter nach einem der Ansprüche
1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Versorgung
der beiden Versorgungseingangsspannungsanschlüsse
(E 1, E 2) durch eine gemeinsame monopolare Spannungs
quelle ein zusätzlicher Transformator (15, 15′)
vorgesehen ist.
6. Elektromagnetischer Konverter nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden miteinander gekoppelten
Spulen (Speicherdrosseln 10, 11; 10, 11′; 10 a, 10 b,
10 a′, 11 a′; 10 b, 11 b′, 10 c, 11 c; 10 b, 11 b des elektro
magnetischen Schaltwandlers) in Reihe mit jeweils
einem Teilkondensator (12 a, 12 b; 12 a′, 12 b′, 12 a′′,
12 b′′) und darauf folgend mit jeweils einer Wicklung
des zusätzlichen Transformators (15, 15′) gegen
Masse geschaltet sind, wobei der Umschalter (14)
die Verbindungspunkte der Spulen mit den Teilkondensa
toren alternativ gegen Masse schaltet und die Wicklungen
der jeweils zweiten Spulen (11′; 11 a, 11 a′;
11 b; 11 b′; 11 c) sowohl der beiden Speicherdrosseln
(10, 11; 10, 11,; 10 a, 10 b, 10 a′; 11 a′; 10 b, 11 b′,
10 c, 11 c; 10 b, 11 b) als auch des zusätzlichen Trans
formators mit Bezug auf die jeweils ersten Spulen
entgegengesetzt gewickelt sind.
7. Elektromagnetischer Konverter nach einem der Ansprüche
1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter
gebildet ist von zwei schnellen Schalttransistoren
(SipMos-Transistoren 14 a, 14 b; 14 a′, 14 b′, 14 c,
14 c′), die alternativ über vorgeschaltete schnelle
Treiber (17 a, 17 b, 17 a′, 17 b′, 22 a, 22 b′) angesteuert
sind.
8. Elektromagnetischer Konverter nach einem der Ansprüche
1-7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines
Drehfeldes mit 90° Phasenverschiebung bei einer
Schrittmotoransteuerung für jede der Drehrichtungen
ein elektromagnetischer Schaltwandler vorgesehen
ist und die um 90° phasenversetzten Ansteuer-Rechteck
spannungen von einem gemeinsamen Sinus-Cosinus-
Generator (16) erzeugt werden, dessen Ausgangsspan
nungsverläufe über einstellbare Pulsdauermodulatoren
(36 a, 36 b) jeweils gemeinsam über einen invertierenden
und einen nichtinvertierenden Verstärker als schnelle
Treiber den schnellen Schalttransistoren zugeführt
sind.
9. Elektromagnetischer Konverter nach einem der Ansprüche
1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz
des Umschalters (14, 14′) bzw. der schnellen Schalt
transistoren (14 a, 14 b; 14 a′, 14 b′, 14 c, 14 c′) mehrere
hundert kHz beträgt.
10. Elektromagnetischer Konverter nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Größe der variablen Magnetfeldenergie bei der Motor
ansteuerung oder Lautsprecheraussteuerung über die
zugeführte Versorgungsspannsung (+ U B ) bzw. die Aus
steuerung der Pulsbreitenmodulatoren (17, 17 a, 17 b)
bestimmt ist.
11. Elektromagnetischer Konverter nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß
der die Spulen durchfließende Strom durch Vorwider
stände (Meßwiderstand 18 a, 18 b) als zum Betrag und
Richtung des erzeugten Magnetfeldes proportionaler
Spannungsabfall (U M ) erfaßt
und einem Regler (20) zugeführt wird, der entsprechend
Schaltfrequenz und Ausmaß des Tastverhältnisses
einstellt.
12. Elektromagnetischer Konverter nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß
digitale Eingangssteuersignale über jeweils einen
nichtinvertierenden und einen invertierenden schnellen
Treiber (22 a, 22 b) direkt den schnellen Schalttransi
storen (SipMos 14 a, 14 b, 14 a′, 14 b′, 14 c, 14 c′)
zugeführt sind.
13. Elektromagnetischer Konverter nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß
bei einer insgesamt digitalen Audioanlage von digitalen
Programmquellen (25, 26, 27) stammende digitale
Ansteuersignale über einen digitalen Vorverstärker
mit digitalem Eingangswahlschalter (29), digitalen
Bandpässen (30, 31) als Frequenzweichen, digitalen
Modulatoren (32, 33) den mit den Schwingspulen von
Lautsprecherchassis als Speicherdrosseln (10, 11;
10, 11′, 10 a, 10 b, 10 a′; 11 a′; 10 b, 11 b′, 10 c, 11 c;
10 b, 11 b) ausgerüsteten elektromagnetischen Schalt
wandlern unmittelbar zugeführt sind.
14. Elektromagnetischer Konverter nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die
variable erzeugte Magnetfeldenergie zur Aufmagnetisierung
(von magnetischem Ton- und/oder Bildträgerbandmaterial),
zur Steuerung oder Ablenkung von Elektronenstrahlen
(bei Videoröhren) u. dgl. eingesetzt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19873716826 DE3716826A1 (de) | 1987-05-20 | 1987-05-20 | Elektromagnetischer konverter |
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DE3716826A1 true DE3716826A1 (de) | 1988-12-01 |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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