DE3716826C2 - - Google Patents
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- H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Konverterschaltung zur
Umwandlung von elektrischer Eingangsenergie und bezieht
sich speziell auf elektromagnetische Wandler,
die in vielfältiger Form und Ausführung bekannt sind
und wobei in einer besonders einfachen Form schon eine
Spule einen elektromagnetischen Wandler bildet, da der
sie durchfließende Strom sich nach außen als von der
Spule erzeugtes Magnetfeld äußert.
Praktische Anwendungsformen für elektromagnetische
Konverter sind beispielsweise Elektromotoren beliebi
ger Art, also Schrittmotoren, Synchronmotoren, Asynchron
motoren, Gleichstrommotoren, andererseits aber auch die
elektromagnetischen Wandler bei Lautsprechersystemen,
bei denen in einem stationären Magnetfeld eine beweg
lich, üblicherweise über eine Membran aufgehängte Spule
von einem sich nach Größe und Richtung andernden Wech
selstrom durchflossen wird und daher eine Spulenbewegung
resultiert, die sich über die Membran der Umgebung als
Schallenergie mitteilt.
Da die Erfindung solche beliebigen Anwendungsmöglich
keiten betrifft, darüber hinaus aber auch eine neue
Möglichkeit eröffnet, in beliebiger Weise ausnutzbare,
nach Vorzeichen und Betrag variable Magnetfeldenergien
zu erzeugen, die auch beispielsweise vom Sprechkopf
eines Tonbandgeräts der Aufmagnetisierung entsprechen
dem Bandmaterial oder der Ablenkung eines Elektronen
strahls, z. B. in der Fernsehröhre, oder ähnlicher An
wendungsbereiche dienen, werden im folgenden genauer
bekannte Schaltregler speziell zum Betrieb von Elektro
motoren sowie von Lautsprechern zum Stand der Technik
besprochen.
So ist es beispielsweise bekannt, einen elektrischen
Schrittmotor als eine der Möglichkeiten des Einsatzes
eines elektromagnetischen Wandlers monopolar oder bi
polar anzusteuern. Bei der monopolaren Ansteuerung
müssen im Wickelraum des Elektromotors zwei Feldteil
wicklungen untergebracht werden, von denen je nach Dreh
richtung 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 Cuk, wie er etwa
in dem US-Patent 41 84 197 beschrieben ist.
Der Grundaufbau des Cuk-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 Cuk 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 ge
schaltet, wenn der in dieser Schaltung durch die An
steuerung des bipolaren Transistors sozusagen hin- und
herspringende mittlere Reihenkondensator dies zuläßt.
Die grundsätzliche Funktion dieses Gleichstrom/Gleich
strom-Schaltkonverters kann so gesehen werden, daß der
Energietransport in drei Schritten erfolgt, indem näm
lich zunächst die erste Spule aufgeladen wird; dann wird
der Reihenkondensator aufgeladen. Wird dann wieder die
erste Spule aufgeladen, dann gibt gleichzeitig der Kon
densator 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 an
schließend abfällt, wobei der Stromverlauf im zweiten
Kreis grundsätzlich die gleiche, angenäherte Dreieck
form hat, lediglich mit entgegengesetzten Vorzeichen.
Da der Reihenkondensator in der Ladephase mit dem rech
ten Anschluß und in der Entladephase mit dem linken An
schluß an Masse geschaltet wird, hat die Ausgangsgleich
spannung entgegengesetzte Polarität zur Eingangsversor
gungsgleichspannung.
Auf eine bestimmte Schaltung, nämlich die Darstellung
der Fig. 6 bei dem weiter vorn schon erwähnten US-Patent
41 86 437 von Slobodan Cuk ist noch einzugehen; bei
dieser Schaltung liegt an deren linker Seite, immer in
der Zeichenebene gesehen, eine Spannung mit einer ersten
vorgegebenen Polarität und an der rechten Seite eine
Spannung mit entgegengesetzter Polarität an; Bezugs
punkte zu vorliegender Erfindung bestehen jedoch nicht,
da es sich bei dieser Schaltung um einen in der Grundfunk
tion zwei einander entgegengeschaltete Gleichstrom/
Gleichstrom-Konverter benutzenden Gegentakt-Schaltver
starker handelt, bei dem der Leistungsfluß einmal in
der einen und einmal in der anderen Richtung erfolgen
kann, also bidirektional verläuft, wie auch die Strom
pfeile an der Schaltung angeben. Daher kann die linke
bzw. die rechte Seite der Schaltung mit Versorgungsspan
nung beaufschlagt sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektro
magnetische Konverterschaltung zu schaffen, die einfachen
Aufbau (geringe Anzahl der erforderlichen Bauelemente)
mit gutem Wirkungsgrad verbindet.
Die erfindungsgemäße elektromagnetische Konverterschal
tung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs
1 bzw. des Anspruchs 5 und hat den Vorteil, daß die mit
einander elektromagnetisch gekoppelten Spulen gleich
zeitig die Träger der Ausgangsgroßen bilden, also bei
spielsweise 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 für sich gesehen
bekannten Bauteilen zu sehen, sondern beruht auf der
entscheidenden Erkenntnis, daß durch grundsätzliche Modi
fikationen eines Grundschaltungs-Teilbereichs beispiels
weise des bekannten Cuk-Gleichstrom/Gleichstrom-Konver
ters ein System zur Erzeugung eines nach Betrag (= B)
und Polaritat (= P) steuerbaren Magnetfeldes geschaffen
werden kann, wobei man am Ausgang eine (zweite) Versor
gungsspannung zuführt, die Spulen elektromagnetisch
miteinander koppelt und das Tastverhältnis der Umschalt
vorgänge als Variable einsetzt. Dabei ist davon auszu
gehen, daß bei einem Tastverhältnis von 50% und dem
hier zugrundegelegten symmetrischen Aufbau des Systems
effektiv kein Strom fließt, also auch keine Magnetfeld
äußerung nach außen erfolgt. Der mittlere Kondensator
ist in einem solchen Fall auf das Doppelte der Versor
gungsspannung konstant aufgeladen und die Spulenströme
sind bis auf einen kleinen Wechselanteil 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 Betrag 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 Steuersignaleingangsseite 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
bisher als Speicherelemente eingesetzten einen symmetrischen Schaltregler
überhaupt erst realisierenden elektro
magnetisch miteinander gekoppelten Spulen sind in der
getroffenen Aufteilung gleichzeitig Feldspulen des
durch die Erfindung realisierten elektromagnetischen
Wandlers.
Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber der bis
herigen, notwendigerweise inmer 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 Hochfrequenztransfor
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.
Dabei 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 vorteilhafte Weiterbildungen 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 z. B. zur Motoransteuerung und bei Einsatz
einer bipolaren Versorgungsspannung;
Fig. 2 schematisiert eine zweite Ausführungsform vor
liegender Erfindung, ebenfalls zur Motoransteue
rung geeignet mit der Möglichkeit einer monopolaren Ver
sorgungsspannung;
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel vorliegender
Erfindung z. B. zur Schrittmotoransteuerung in detail
lierter Schaltungsdarstellung;
Fig. 4 eine Ausführungsform vorliegender Erfindung z. B.
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.
Das in Fig. 1 dargestellte einfache Ausführungsbeispiel
in schematisierter Form zeigt eine Möglichkeit z. B. zur
Motoransteuerung über eine Feldspulenwicklung mit Kern
oder geschichtetem Eisenblech, wobei die Grundstruktur
aus zwei miteinander in Reihe geschalteten
Spulen 10 und 11 besteht, die zwischen sich einen Kondensator
12 einschließen und gleichzeitig die (gesteuerten)
Feldwicklungen eines Motors von an sich zunächst beliebiger
Ausbildung bilden. Beispielsweise können die Feld
wicklungen 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
10, 11 bewirkt und die nach Richtung
und Größe variale 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
P1 und P2, die jeweils die Verbindungspunkte der ersten
Spule 10 mit dem Kondensator 12
bzw. der zweiten Spule 11 mit
dem Kondensator 12 bezeichnen, alternativ gegen Masse
oder ein sonstiges Nullpotential, gegen welches auch die beiden an
den jeweils freien Spulenanschlüssen zugeführten Gleichspan
nungen definiert sind, also die Versorgungsgleichspannung
+UB am Eingang E1 als freiem Anschluß der ersten Spei
cherspule 10 und die Versorgungsspannung -UB gleicher
Größe, jedoch entgegengesetzter Polarität am anderen
Versorgungseingangsanschluß E2, gebildet vom freien
Anschluß der zweiten Spule 11.
Dieser absolut symmetrische Aufbau des elektromagnetischen
Wandlers vervollständigt sich noch, worauf besonders
hingewiesen wird, durch den Wicklungssinn der beiden
Spulen 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 (Vor
zeichen des von den Spulen 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 E2 zuführen zu müssen, wenn
nicht problematisch, so doch gegebenenfalls unbequem
sein kann, sind entsprechend einer vorteilhaften Ausgestal
tung 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 12a und
12b 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 12a und 12b 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
Spulen, hier der Spule 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 E2 eine
Gleichspannung mit der Polarität der dem ersten Ver
sorgungseingangsanschluß E1 zugeführten Spannung +UB
zuführen, so daß sich hieraus, indem man die Eingangs
versorgungsanschlüsse für die lediglich nur noch eine
verbleibende Gleichspannung +UB 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
Wandler 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 10a, 11a bzw. 10a′, 11a′ bezeichnet, so daß man
auch erkennt, daß es sich hier jeweils um die beiden
Spulen jeweils eines elektromagnetischen
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 15a und 15a′ bezeichnet, während
für den Umschalter als schnelle Schalter sogenannte
SipMos-Transistoren 14a, 14b; 14a′, 14b′ eingesetzt
sind, die durch spezielle vorgeschaltete Treiber ange
steuert werden.
Als Kondensatoren 12a, 12b; 12a′, 12b′ 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 14a, 14b bzw. 14a′,
14b′ von 50% der jeweilige 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
verhältnisses (D) sind die um die erwähnten 90° versetzten Sinus- und Cosin
Ausgangsspannungen des Generators 16 über Pulsdauer
modulatoren 36a, 36b 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 17a, 17b bzw. 17a′, 17b′
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 Spulen 10b, 11b
mit einem zentralen Konden
sator 12′ in Reihe geschaltet sind. Die beiden
Spulen 10b, 11b 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 -UB einsparen,
dann kann entsprechend Fig. 5 durch die Hinzufügung eines Übertra
gers oder Transformators 15′ in einer der Schaltungsmodi
fikation der Fig. 2 vergleichbaren Umwandlung mit dann
zwei Kondensatoren 12a′′, 12b′′ gearbeitet werden, wobei
der Wicklungssinn der zweiten Spule 11b′
oder des zweiten Schwingspulenteils 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 Wandlers, 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 dem elektromagnetischen Wandler
der Fig. 5 mit der Ausnahme, daß in
Serie mit den beiden Spulen 10b, 11b′ je ein (hin
reichend niederohmiger) Meßwiderstand 18a, 18b geschaltet
ist, an denen je eine Meßspannung UM1, UM2, die pro-
Portional zu dem jeweiligen Spulenstrom ist, abfällt. Da
die beiden Spulenströme im Kern 13a entgegengesetzte
Felder erzeugen, müssen die beiden Meßspannungen UM1, UM2
am Summationspunkt 19 subtrahiert werden, um eine dem
Fluß nach Betrag und Richtung proportionale Meßspannung
UM zu erzeugen.
Einem Regler 20 wird die Eingangsspannung UE und die
Magnetfluß-Istwertspannung UM 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 10c, 11c 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 14c, 14c′)
ersetzt ist.
Der Lautsprecher mit seinen beiden über den Kern 13a gekop
pelten Schwingspulen 10c, 11c ist in Fig. 7 mit 21
bezeichnet; die anderen Schaltungselemente entsprechen
dem üblichen symmetrischen Aufbau. Man erkennt
aus der Darstellung der Fig. 7, daß es natürlich möglich
und im Grunde auch bevorzugt ist, die schnellen Schalt
transistoren 14c und 14c′ über schnelle Treiber in
Form eines nichtinvertierenden und eines invertierenden
Verstärkers 22a, 22b 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 UE 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
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 Bandpässen
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
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 Verlauf der magnetischen Feldstärke ϕ nach Größe und
Richtung als Kurvenverlauf I über dem Tastverhältnis
D.
Claims (11)
1. Konverterschaltung zur Umwandlung von elektrischer
Eingangsenergie, mit zwei in Reihe geschalteten,
magnetisch gekoppelten Spulen, zwischen denen ein
Kondensator geschaltet ist, deren jeweilige Verbin
dungspunkte mit dem Kondensator über einen Umschal
ter mit einstellbarem Tastverhältnis alternativ mit
Nullpotential verbindbar sind, wobei zur Umwandlung
der elektrischen Energie in eine variable Magnet
feldenergie die beiden Spulen (10, 11, 10b, 11b)
unmittelbar die die Magnetfeldenergie erzeugenden
Feldspulen eines elektromagnetischen Wandlers sind
und beiden Spulen mit Bezug auf das Nullpotential
entgegengesetzte Versorgungsspannungen (+UB; -UB)
zugeführt sind und wobei zur Einstellung der variab
len Magnetfeldenergie als Steuersignal zumindest
teilweise das Tastverhältnis der Umschaltung geän
dert wird.
2. Konverterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet daß die beiden Spulen (10, 11; 10b, 11b)
des elektromagnetischen Wandlers über einen gemein
samen Magnetkern (13) magnetisch gekoppelt sind.
3. Konverterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (10, 11; 10b,
11b) des elektromagnetischen Wandlers Feldspulen
eines Elektromotors sind.
4. Konverterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (10, 11; 10b,
11b) des elektromagnetischen Wandlers Schwingspulen
eines Lautsprechers sind.
5. Konverterschaltung zur Umwandlung von elektrischer
Eingangsenergie, mit zwei magnetisch gekoppelten
Spulen, wobei zur Umwandlung der elektrischen Energie
in eine variable Magnetfeldenergie die beiden Spulen
(10, 11′; 10a, 11a; 10a′, 11a′; 10b, 11b′; 10c, 11c)
unmittelbar die die Magnetfeldenergie erzeugenden
Feldspulen eines elektromagnetischen Wandlers sind
und beide miteinander gekoppelten Spulen (10, 11′;
10a, 11a; 10a′, 11a′; 10b, 11b′; 10c, 11c) des
elektromagnetischen Wandlers in Reihe mit jeweils
einem Teilkondensator (12a, 12b; 12a′, 12b′; 12a′′,
12b′′) und darauf folgend mit jeweils einer Wicklung
eines zusätzlichen Transformators (15, 15′) gegen
Nullpotential geschaltet sind oder umgekehrt, wobei
ein Umschalter (14) die Verbindungspunkte der Spulen
mit den Teilkondensatoren bzw. die Verbindungspunkte
der Spulenreihenschaltung alternativ gegen Nullpo
tential schaltet und wobei zur Einstellung der
variablen Magnetfeldenergie als Steuersignal zu
mindest teilweise das Tastverhältnis der Umschal
tung geändert wird.
6. Konverterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter gebildet
ist von zwei schnellen Schalttransistoren (14a,
14b; 14a′, 14b′, 14c, 14c′), die alternativ über
vorgeschaltete schnelle Treiber (17a, 17b; 17a′,
17b′; 22a, 22b) angesteuert sind.
7. Konverterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des
Steuersignals einstellbare Pulsdauermodulatoren
(36a, 36b) vorgesehen sind.
8. Konverterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz des
Umschalters (14, 14′; 14a, 14b; 14a′, 14b′; 14c,
14c′) mehrere hundert KHz beträgt.
9. Konverterschaltung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
variable Magnetfeldenergie bei der Motoransteuerung
oder Lautsprecheraussteuerung über die zugeführte(n)
Versorgungsspannung(en) bzw. die Aussteuerung der
Pulsdauermodulatoren (36a, 36b) bestimmt ist.
10. Konverterschaltung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
die gekoppelten Spulen (10, 11; 10b, 11b; 10a′,
11a′; 10b, 11b′; 10c, 11c) durchfließende Strom
jeweils durch Meßwiderstände (18a, 18b) als zum
Betrag und Polarität des erzeugten Magnetfeldes
proportionaler Spannung (UM) erfaßt und einem Regler
(20) zugeführt wird, der entsprechend Schalt
frequenzen und Ausmaß des Tastverhältnisses (D)
einstellt.
11. Konverterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß digitale Eingangs
steuersignale über jeweils einen nichtinvertieren
den und einen invertierenden schnellen Treiber
(22a, 22b) direkt den schnellen Schalttransistoren
(14a, 14b; 14a′, 14b′; 14c, 14c′) zugeführt sind.
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 DE3716826A1 (de) | 1988-12-01 |
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ID=6327907
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
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D2 | Grant after examination | ||
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |