DE3923311A1 - Elektrischer wandler - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Wandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektrische Wandler in Form von Schaltreglern für Wechselspannungen sind in vielfacher Form bekannt, wobei unter Hinweis auf einen die verschiedenen Ge­ sichtspunkte bei solchen Schaltreglern zusammenfassen­ den Aufsatz "Schaltregler für Wechselspannungen" von Michael König, Zeitschrift Elektronik, 23, 11.11.1988, Seiten 82-90, im folgenden drei verschiedene Schalt­ reglertypen genauer betrachtet werden, da es sich hier­ bei um bekannte Grundschaltungen handelt, die auch dem besseren Verständnis der Erfindung dienen.

Der sogenannte Buck-Wandler erzeugt als Abwärtsregler Ausgangsspannungen, die kleiner oder gleich der Ein­ gangsspannung sind. Dabei ist zu beachten, daß unter Eingangsspannung nicht die zu verstärkende Signalspan­ nung zu verstehen ist, sondern die Versorgungsspannung des Verstärkers, der selbst über mindestens einen, üblicherweise elektronisch ausgebildeten Schalter in Form eines Umschalters verfügt. Dabei wirkt die zu verstärkende Signalspannung über das Tastverhältnis dieses Umschalters, d.h. die Signalinformation steckt im Tastverhältnis. Ein solcher bekannter Wandler wie der zunächst erwähnte Buck-Konverter kann in vier Teil­ bereichen unterteilt werden, nämlich einen den Modu­ latorteil bildenden Eingangsregler, dem die Eingangs­ spannung zugeführt wird, ein dem Regler nachgeschal­ teter Schalterteil, ein sich an diesen anschließender, zum Teil sehr aufwendiger Filter, um die Schaltfre­ quenz und deren Oberwellen zu dämpfen, sowie einen, auch separat realisierbaren, elektromagnetischen Wand­ ler. Problematisch bei diesem bekannten Buck-Wandler ist das notwendigerweise eine hohe Ordnung aufweisen­ de Ausgangsfilter, der erhebliche Bauteilaufwand und die kritische Dimensionierung, wobei ein weiterer, dem Buck-Wandler ähnlicher Wandler als Aufwärtswandler den sogenannten Boost-Wandler umfaßt, bei dem die er­ zielbaren Ausgangsspannungen größer oder gleich der Eingangsspannungen sind. Alle Wandler, auch die sich aus der Kombination dieser beiden Wandler ergebenden Buck-Boost- Wandler oder der Boost-Buck-Wandler, der auch als sogenannter uk- Wandler bezeichnet wird, sind in dem erwähnten Aufsatz umfassend erläutert, so daß auf deren Grundaufbau und Funktion nicht genauer eingegangen zu werden braucht.

Andererseits stellen diese Wandler in einem gewissen Sinne einen Ausgangspunkt vorliegender Erfindung dar, so daß zum besseren Verständnis der nachfolgend be­ schriebenen Erfindung auf diese Wandler verwiesen wird. In diesem Zusammenhang ist auch darauf hinzuweisen, daß der uk-Wandler zwar einige Vorteile besitzt, wie nichtlückenden Ein- und Ausgangsstrom, höheren Wir­ kungsgrad, massebezogene Ansteuerung der Schalter, symmetrischen Aufbau, so daß ein Zweiquadrantenbetrieb möglich ist bei geringem Spitzenstrom in den Schaltern und der Möglichkeit der Eliminierung der Ein- oder Ausgangswelligkeit durch Kopplung der Spulen.

Andererseits ist dieser uk-Wandler jedoch nur für den Einsatz im Zweiquadrantenbetrieb geeignet, so daß es zur Realisierung eines Vierquadrantenwandlers auch schon vorgeschlagen worden ist, zwei uk-Wandler unter Inkaufnahme eines hohen Bauteilaufwands bei geringem Wirkungsgrad, weil schwebende Last, zusammenzuschal­ ten derart, daß die Last zwischen den beiden Ausgän­ gen der beiden eingesetzten uk-Wandler angeschlossen wird. Man gelangt hierdurch zu einem sogenannten Brük­ ken-uk-Wandler, wie er auch in dem US-Patent 41 86 437 beschrieben ist.

Bei einem weiteren elektromagnetischen Konverter oder Wandler (DE-OS 37 16 826) wird ebenfalls von der Grundkonzeption des uk-Schaltkonverters oder -wandlers ausgegangen, mit der Maßgabe, daß anstelle der Aus­ gangslast eine zweite, der Eingangsspannung entgegen­ gesetzte Versorgungsspannung zugeführt wird, wobei dann die beiden beim uk-Wandler vorhandenen Spulen unmittelbar und gleichzeitig auch die die variable Magnetfeldenergie erzeugenden Feldspulen des Konver­ ters sind, der insofern als elektromagnetischer Kon­ verter oder Verstärker arbeitet. Bei diesem Schalt­ wandler ist u.a. vorteilhaft, daß der die gewünschte Magnetfeldänderung erzeugende bzw. aussteuernde sym­ metrische Schaltregler Verstärker, elektronische Schaltung und elektromagnetischer Wandler in einem ist, was allerdings wieder bedeutet, daß die Aus­ gangslast notwendigerweise eine Induktivität in Form miteinander gekoppelter Spulen sein muß und bei Voll­ aussteuerung der Strom nur durch eine der Spulen fließt, so daß der Wirkungsgrad an der Last bei nichtoptimaler Ausnutzung des Wickel­ raums nicht unbedingt zufriedenstellend ist.

Zwar läßt sich die im folgenden genauer erläuterte Erfindung zur Schaffung eines Vierquadrantenwandlers unter Zugrundelegung eines beliebigen, einen Zwei­ quadrantenbetrieb ermöglichenden Schaltwandlers reali­ sieren - da jedoch eine spezielle Ausführungsform des schon erwähnten uk-Schaltkonverters oder Schalt­ wandlers mit Vorzug bei der Realisierung vorliegender Erfindung eingesetzt wird, wird im folgenden der Grund­ aufbau des uk-Schaltkonverters in Form eines bekann­ ten Gleichstrom/Gleichstrom-Schaltkonverters entspre­ chend dem US-PS 41 84 197 zur eindeutigen Bestimmung des bekannten Stands der Technik und zur Abgrenzung der Erfindung gegenüber im einzelnen genauer erläu­ tert. Der uk-Wandler ist in der Lage, eine Eingangs­ gleichspannung an einem am Ausgang angeschalteten Ver­ braucher, beispielsweise Widerstand, in eine Aus­ gangsgleichspannung umzuwandeln, die größer oder klei­ ner als die Eingangsgleichspannung ist und nur einen sehr geringen Oberwellengehalt aufweist. Der Grundauf­ bau ist dabei so getroffen, daß an eine Eingangsver­ sorgungsgleichspannung eine erste Spule angeschaltet ist, die in Reihe mit einem Kondensator liegt, an wel­ chen sich die Reihenschaltung einer zweiten Spule an­ schließt, die gegen Masse oder Nullpotential einen Ausgangskondensator aufweist, an dem dann parallel der Last- oder Verbraucherwiderstand liegt. Ein Um­ schalter verbindet dabei alternativ und mit einem Tast­ verhältnis, aus welchem sich die Höhe der Ausgangs­ gleichspannung bestimmt, die beiden Verbindungspunkte jeder der Spulen mit dem zugewandten Kondensatoran­ schluß mit Masse, so daß sich bei jeder Stellung des Umschalters zwei unterschiedliche Schaltungskonfigura­ tionen ergeben.

Ist der der Versorgungsspannung näherliegende Verbin­ dungspunkt der ersten Spule mit dem Reihenkondensator gegen Masse geschaltet, dann liegt die erste Spule an der Versorgungsspannung und wirkt als elektro­ magnetischer Speicher, wobei ein bestimmter Strom fließt, während der Kondensator sich gleichzeitig im geschlossenen Kreis mit der zweiten Spule und dem Aus­ gangskondensator befindet. In der anderen Schaltstel­ lung, in welcher der Verbindungspunkt der zweiten Spule mit dem Kondensator gegen Masse oder die Nullpotential­ schiene geschaltet ist, befindet sich der mittlere Kondensator zusammen mit der ersten Spule im ersten geschlossenen Stromkreis, während gleichzeitig die zweite Spule mit dem Ausgangskondensator 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 Tran­ sistor bestehen, der den ersten Verbindungspunkt je nach Aussteuerung mit Nullpotential verbindet, wobei der zweite Verbindungspunkt 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 Transi­ stors sozusagen hin- und herspringende mittlere Rei­ henkondensator dies zuläßt.

Die grundsätzliche Funktion dieses Gleichstrom/Gleich­ strom-Schaltkonverters kann so gesehen werden, daß der Energietransport in drei Schritten erfolgt, indem nämlich zunächst die erste Spule aufgeladen wird; dann wird der Reihenkondensator aufgeladen. Wird dann wieder die erste Spule aufgeladen, gibt auch 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 Ener­ gie über den Ausgangskondensator an den Lastwiderstand abgibt. Der grundsätzliche Verlauf der Ströme in den beiden, durch die Umschaltung jeweils gebildeten Krei­ sen ist so, daß dieser im ersten Kreis zunächst an­ steigt und anschließend abfällt, wobei der Stromver­ lauf im zweiten Kreis grundsätzlich die gleiche, ange­ näherte Dreieckform hat, lediglich mit entgegengesetz­ ten Vorzeichen.

Da der Reihenkondensator in der Ladephase mit dem rech­ ten Anschluß und in der Entladephase mit dem linken Anschluß an Masse geschaltet wird, hat die Ausgangs­ gleichspannung entgegengesetzte Polarität zur Ein­ gangsversorgungsgleichspannung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit gering­ stem Aufwand einen Vierquadrantenwandler zu schaffen unter Zugrundelegen eines an sich beliebigen Zwei­ quadrantenwandlers, der beliebige Lasten (induktiv, kapazitiv, ohmsch) treiben kann, ohne daß es des Ein­ satzes von zwei Zweiquadrantenwandlern, etwa in der Form des sehr aufwendigen Brücken-uk-Wandlers, be­ darf.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Anspruchs 1 und hat den Vorteil, daß jede beliebige Last an den erfindungsgemäßen Vier­ quadrantenwandler angelegt werden kann, wobei auf den Zuleitungen zur Last keine Schaltfrequenz auftaucht, sondern eine statische Gleichspannung, die vom Tast­ verhältnis abhängt.

Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel ergibt sich bei vorliegender Erfindung dann, wenn man als Zweiquadrantenschaltwandler den weiter vorn schon er­ wähnten sogenannten uk-Wandler zugrundelegt, bei dem die Ausgangsspannung stets positiv, der Ausgangsstrom positiv oder negativ sein kann. Ein solcher uk-Wandler erzeugt am Ausgang eine Spannung, die je nach dem Tast­ verhältnis kleiner (D < 0,5), gleich (D = 0,5) oder größer (D < 0,5) als die Eingangsspannung ist.

Dabei wird die Last zwischen Ausgang und Eingang des Schaltwandlers angeschlossen, kann aber dennoch an Masse gelegt werden, wobei in vorteilhafter Ausgestal­ tung zur Spulenkopplung mit mehreren, vorteilhafter­ weise aber auch nur mit einem einzigen Transformator, dann in spezieller Ausführungsform, gearbeitet werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Vierquadrantenwandler können also Eingang wie Ausgang massebezogen sein bei gerin­ gem Bauteileaufwand,und der als Last angeschlossene Zweipol kann beliebig induktiv, kapazitiv oder ohmsch sein. Ferner werden im Gegensatz zu dem elektromagneti­ schen Konverter nach der DE-OS 37 16 826 als Last keine gekoppelten Spulen benötigt, wobei dann, wenn die Last induktiv, also eine Spule ist, die volle Ausnutzung des Wickelraums möglich ist. Es ergibt sich daher schon aus diesem Grunde ein besonders hoher Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wandlers, wobei ferner für die Schaltfrequenz keine Ausgangsfilter benötigt werden, und da die Schaltfrequenz nicht auf den Zuleitungen zur Last erscheint, ergeben sich auch keine HF-Ab­ strahlprobleme bei den Zuleitungen zur Last.

Die Erfindung eignet sich in idealer Weise zum Ein­ satz bei Motorsteuerungen, zur Lautsprecheransteuerung, zur Strahlablenkung bei Bildröhren und im übrigen über­ all dort, wo der auf den gleichen Anmelder zurückge­ hende elektromagnetische Konverter nach der DE-OS 37 16 826 ebenfalls eingesetzt werden konnte.

Weitere Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisiert in Form eines Blockschaltbildes den erfindungsgemäßen Vierquadrantenwandler unter Zugrundelegen eines beliebigen Zwei­ quadrantenwandlers, der bestimmte Vorausset­ zungen erfüllt;

Fig. 2 die Erfindung realisiert an einem als Schalt­ wandler verwendeten und entsprechend modifi­ zierten uk-Wandler;

Fig. 3 das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 mit einem uk-Wandler als Schaltwandler zur Realisie­ rung eines erfindungsgemäßen Vierquadranten­ wandlers unter Verwendung nur eines gemeinsa­ men Transformators für die vorhandenen Spulen;

Fig. 4 in Form eines Diagramms die Abhängigkeit der Lastspannung U_L über dem Tastverhältnis D;

Fig. 5 den Schaltwandler beispielsweise der Fig. 3 mit definiertem Massebezug; die

Fig. 6, 7 und 8 zeigen Wechselspannungsver­ stärker, bei denen die Last über einen Konden­ sator angekoppelt ist in verschiedenen Varian­ ten;

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel eines Vierquadranten­ wandlers unter Zugrundelegen eines invertieren­ den uk-Wandlers;

Fig. 10 eine Ausführungsform eines Vierquadrantenwand­ lers mit lediglich einem Transformator als Wechselspannungsverstärker mit einem einzigen Transformator zur Eliminierung sowohl der Ein­ gangs- als auch der Ausgangswelligkeit und

Fig. 11 eine mögliche Ausführungsform eines Transfor­ mators, der so ausgebildet ist, daß mit Ausnah­ me der Eingangs- mit der Ausgangsspule alle an­ deren Spulen in der Schaltung miteinander magne­ tisch gekoppelt sind.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, einen Vierquadrantenwandler unter Zugrundelegung eines bestimmte Voraussetzungen erfüllenden Zweiquadranten­ wandlers zu schaffen, wobei bei offen belassenem Aus­ gangsanschluß die Last zwischen Ausgang- und Eingangs­ spannung geschaltet ist und wobei als Ausgangspunkt für den erfindungsgemäßen, hierdurch geschaffenen Vier­ quadrantenwandler ein Zweiquadrantenwandler nach uk bevorzugt ist.

Fig. 1 zeigt zunächst die Ausgangsposition vorliegen­ der Erfindung unter Verwendung eines einen Zweiquadran­ tenbetrieb ermöglichenden beliebigen Schaltwandlers 10, an dem sich zunächst die folgenden Begriffsdefinitionen ergeben.

Die Eingangsspannung U_E stellt die Versorgungsspannung des Schaltverstärkers dar, also nicht die üblicherwei­ se zu verstärkende Signalspannung.

Diese Signalspannung, die die Signalinformation ent­ hält, ist im Blockschaltbild der Fig. 1 mit U_S be­ zeichnet und wirkt, wie schematisiert angedeutet ist, auf einen einzigen oder auf zwei, dann im Gegentakt arbeitende Schalter, wie sie im übrigen auch bei dem weiter vorn schon ausführlich erläuterten uk- Wandler, beispielsweise Gleichstrom/Gleichstrom- Schaltkonverter, eingesetzt werden, um entsprechende Energieumladungsprozesse durchzuführen.

Mit U_A ist die sonst, also bei dem zugrunde liegenden Zweiquadrantenschaltwandler so bezeichnete Ausgangs­ spannung des Wandlers bezeichnet, aber nicht die Span­ nung, die nach vorliegender Erfindung an der Last wirk­ sam ist, die mit U_L bezeichnet ist. Im Schaltbild der Fig. 1 ist die Last mit R_L bezeichnet; sie ist aber ausdrücklich eine Impedanz und kann in beliebiger Weise induktiv, rein ohmsch oder kapazitiv sein.

Der zugrunde gelegte Schaltwandler ist so ausgebildet, daß er

• 1. den folgenden Zweiquadrantenbetrieb ermöglicht:
  • a) mit U_E = positiv:
    U_A ist stets positiv, wobei der Strom I_A positiv oder negativ ist oder
  • b) mit U_E = negativ:
    U_A stets negativ, der Strom I_A ist positiv oder negativ,

wobei

• 2. die Ausgangsspannung des Schaltwandlers kleiner und größer als die Eingangsspannung in Abhängig­ keit zum Tastverhältnis D eingestellt werden kann.

Durch das Anschließen der Last R_L zwischen Eingang und Ausgang gelangt man zu einem Vierquadrantenwandler, der die folgenden Bedingungen erfüllen kann:

U_A < 0
U_A < 0
I_A < 0
I_A < 0

Wird entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 als Zweiquadrantenschaltwandler eine Modifikation eines uk-Wandlers eingesetzt, dann ergibt sich der folgende Schaltungsaufbau. Eine Eingangsspule L1 liegt in Reihe mit einem Eingangskondensator C1 und einer weiteren Spule L1′, wobei parallel zu dem Kondensator C1 und der Spule L1′ ein erster Teilschalter S1 geschaltet ist. Die Eingangsversorgungsspannung U_E wird über diese Reihenschaltung zugeführt, wobei der Ausgangskreis in symmetrischer Form dann entsprechend eine Ausgangs­ spule L2, in Reihe mit einem Kondensator C2 und einer weiteren Spule L2′ umfaßt, wobei über dem Kondensator C2 und der Spule L2′ wiederum ein Teilschalter S2 liegt, der mit dem erstgenannten Teilschalter S1 im Gegentakt arbeitet.

Die beiden Spulen L1 und L2 sind miteinander verkoppelt, wie in Fig. 2 angedeutet, können also einen transfor­ matorähnlichen Aufbau haben, der im folgenden als Teil­ trafo T1 bezeichnet wird; eine entsprechende Verkopp­ lung der Spulen L1′ und L2′ ist ebenfalls vorgesehen, so daß ein zweiter Teiltrafo T2 gebildet ist. Ein sol­ cher Schaltwandler 10′ als (modifizierter) uk-Wandler ist in der Lage, am hier zum Verständnis noch so be­ zeichneten Äusgang eine Ausgangsspannung U_A zu erzeugen, die kleiner, gleich oder größer als die Eingangsspan­ nung U_E ist, und zwar je nachdem, ob das Tastverhält­ nis D kleiner, gleich oder größer als 0,5 ist, wie eingangs schon erwähnt. Der Schaltwandler der Fig. 2 stellt daher einen Zweiquadrantenwandler dar, da die Ausgangsspannung U_A stets positiv, der Ausgangsstrom positiv oder negativ ist.

Wird demgegenüber, wie in Fig. 2 auch gezeigt, dieser Ausgang nicht mehr berücksichtigt und die Last R_L zwi­ schen Ausgang und Eingang, also an den Schaltungspunk­ ten P1 und P2 angeschaltet, wobei dem Schaltungs­ punkt P1 gegen Masse die Eingangsspannung zugeführt ist und an P2 die Ausgangsspannung abfällt, dann kann die Spannung an der Last R_L positiv (D < 0,5) oder negativ (D < 0,5) werden. Da der Strom ebenfalls po­ sitiv oder negativ werden kann, ergibt sich hierdurch für die Last ein Vierquadrantenbetrieb, obwohl der verwendete Wandler in seiner ursprünglichen Grundkon­ zeption nur ein Zweiquadrantenwandler ist.

Die beiden Grundausführungsbeispiele der Fig. 1 und 2 können in vorteilhafter Weise ausgestaltet und verbes­ sert werden, wobei bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 nur die Eingangs- mit der Ausgangsspule über den Teiltrafo T1 verkoppelt ist, so daß sich hierdurch nur die Eingangswelligkeit oder die Ausgangswelligkeit eliminieren läßt.

Koppelt man jedoch die Eingangsspule L1 mit einem Trans­ formator To und die Ausgangsspule L2 mit dem gleichen Transformator To, wobei jedoch nicht die Eingangs­ spule L1 mit der Ausgangsspule L2 verkoppelt sind, dann läßt sich sowohl die Eingangs- als auch die Aus­ gangswelligkeit eliminieren,und auf dem Laststrom tritt ebenfalls keine Schaltwelligkeit mehr auf. Weiterhin ergibt sich hierdurch eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades, da die Ummagnetisierungsverluste im Kern sinken.

Dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 liegt daher eine Eintransformatorkonzeption zugrunde, wobei zur Reali­ sierung der soeben erwähnten Forderungen der Transfor­ mator so ausgebildet werden kann, wie er in Fig. 11 im einzelnen dargestellt und mit To bezeichnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind für den Aufbau des Trafos vier U-förmige, geschichtete Transformatorbleche bzw. Ferritkerne verwendet, also U1 für die Eingangsspule L1 U2 und U3, die mit ihren Rückstegen aneinander liegen, für die Kopplung der beiden unteren Spulen L1′ und L2′ und U4 für die Spule L2. Da der mittlere Eisen­ steg einen magnetischen Kurzschluß für die von den Spulen L1 bzw. L2 herrührenden Magnetinduktionen bil­ det, sind diese beiden Spulen nicht miteinander ver­ koppelt; sie sind aber jeweils mit den beiden anderen gekoppelt.

Es versteht sich, daß die beiden Teilschalter S1 und S2 bevorzugt in Form elektronischer Schalter, bei­ spielsweise als Transistoren oder MOS-Fet′s ausge­ bildet und im Gegentakt betrieben sind, so daß bei­ spielsweise dann, wenn der Schalter S1 geöffnet ist, der Schalter S2 geschlossen ist.

Wird daher für den zu verwendenden Zweiquadrantenwand­ ler ein uk-Wandler zu grunde gelegt, der sich beson­ ders gut für die Realisierung des erfindungsgemäßen Vierquadrantenwandlers eignet, dann ergeben sich hier speziell die folgenden Vorteile:

• - massenbezogene Ansteuerung der Transistoren oder Schalter;
• - Eingangs- und Ausgangsripple läßt sich durch Spulen­ kopplung eliminieren, wie in Fig. 3 gezeigt;
• - hoher Wirkungsgrad;
• - es wird nur ein Umschalter benötigt;
• - die Lastspannung U_L kann kleiner oder größer als die Eingangsspannung U_E sein;
• - bei Kopplung aller Spulen (mit Ausnahme der Ein­ gangs- mit der Ausgangsspule) läßt sich eine Ein­ transformatorenlösung zugrunde legen;
• - es wird insgesamt nur ein sehr geringer Bauelement­ aufwand erforderlich;
• - in den Schaltern fließt nur ein geringer Spitzen­ strom und man gewinnt
• - einen nichtlückenden Eingangs- und Ausgangsstrom.

Der Diagrammverlauf der Fig. 4, der die Lastspannung U_L über dem Tastverhältnis D zeigt, läßt erkennen, daß der Betrag der negativsten Lastspannung gleich dem Betrag der Eingangsspannung sein kann, während der Betrag der positivsten Lastspannung U_L größer als der Betrag der Eingangsspannung werden kann - der Aus­ steuerbereich ist daher unsymmetrisch. Wird der erfin­ dungsgemäße Vierquadrantenschaltwandler oder -verstär­ ker als Gleichspannungsverstärker betrieben, dann er­ geben sich die soeben angegebenen Verhältnisse, wobei dann, wenn ein symmetrischer Betrieb gefordert wird, beispielsweise bei Lautsprecheransteuerung, der Be­ trag der Lastspannung U_L durch entsprechende Wahl und Grenzen des Tastverhältnisses maximal gleich der Ein­ gangsspannung U_E gemacht werden kann.

Bei Motoransteuerungen ist allerdings in vielen Fällen eine unsymmetrische Aussteuerung erwünscht oder not­ wendig, beispielsweise schneller Vorlauf und langsa­ mer Rücklauf.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und im übrigen auch die weiteren Ausführungsbeispiele der Fig. 6, 7 und 8, die sämtlich auf dem Grundaufbau und der Ein­ transformatorlösung der Fig. 3 basieren, zeigt eine massebezogene Lastdefinition. Wird nämlich der posi­ tive Pol der Eingangsspannung als Bezugspotential de­ finiert, wie in Fig. 5 gezeigt, - also in Abweichung zur Definition des Bezugspotentials zur Eingangsspan­ nung als Bezugspotential der Ausgangsspannung - dann ist auch die Last massebezogen. Durch eine potential­ trennende Ansteuerung der Teilschalter S1 und S2 oder auch durch einen Levelshift (digital), kann auch die Ansteuerung massebezogen erfolgen.

Beim Betrieb des Schaltverstärkers als Wechselspan­ nungsverstärker, wie dies in den Fig. 6, 7 und 8,9.10 gezeigt ist, kann die Last R_L über einen Kondensator Co angekoppelt werden. Hierdurch läßt sich erreichen, daß die Lastspannung U_L immer symmetrisch ist, so daß es möglich ist, den Betrag der Lastspannung größer als den Betrag der Eingangsspannung zu machen. Dies ist für alle die Fälle wichtig, bei denen aufgrund der Hochohmigkeit der Last die maximal übertragbare Leistung begrenzt ist.

Die Schaltung des Wechselspannungsverstärkers der Fig. 6 entspricht ebenfalls, wie schon erwähnt, der Grundstruk­ tur der Schaltung der Fig. 3 mit Eintransformatorlösung To und Teilschaltern S1 und S2, wobei der Kondensator Co zwischen dem Schaltungspunkt P1, an welchem die Eingangsspannung U_E anliegt,und dem Lastzweipol R_L geschaltet ist.

Bei der Schaltung der Fig. 7 ist der zum Lastzweipol R_L abgewandte Anschluß des Kondensators Co′ zur unteren durchgehenden Anschlußschiene M1 geführt, die auch auf Massepotential liegen kann.

Ist es erwünscht, den Lastzweipol R_L an Masse zu le­ gen, dann tauschen entsprechend dem Schaltungsbeispiel der Fig. 8 der Lastzweipol R_L und sein Reihenkonden­ sator Co′′ die Plätze.

Auf ein Vergleichsbeispiel sei noch eingegangen. Bei Einsatz bisheriger NF-Verstärker beim Autobatteriebe­ trieb ist die maximale Ausgangsleistung auf 4,5 Watt (mit Brückenschaltung auf 18 Watt) bei 12 Volt an 4 Ohm begrenzt. Diese Beschränkung fällt bei dem erfin­ dungsgemäßen Vierquadrantenwandler als Wechselspannungs­ verstärker mit Kondensatorkopplung weg; rein theore­ tisch sind daher beliebig übertragbare Leistungen mög­ lich, wobei man sich in der Praxis mit dem jeweiligen Übersetzungsverhältnis des verwendeten Transformators To an die geforderten Leistungsverhältnisse anpassen kann, wodurch sich dann die in den Fig. 6-8 darge­ stellten Wechselspannungsverstärker mit größerer Aus­ steuerbarkeit ergeben.

Da durch den Ausgangskondensator Co nur die Wechsel­ aussteuerung eine Rolle spielt, ist es ferner auch nicht mehr notwendig, daß die Wandlerausgangsspannung U_A die glei­ che Polarität wie die Eingangsspannung U_E haben muß. Somit kann auch ein invertierender Wandler eingesetzt werden, dessen vereinfachtes Schaltbild in Fig. 9 ge­ zeigt ist und wobei gilt: U_E < 0 bei U_A < 0. Bei diesem invertierenden Wandler ist ein gemeinsamer Dop­ pelumschalter S vorgesehen, der jeweils den einen oder den anderen Anschluß eines zentralen Reihenkondensa­ tors C mit dem Potential der Grundschiene verbindet, mit nur lediglich einer Eingangsspule L1′′ und einer Ausgangsspule L2′′ und einer entsprechenden, bei T3 angedeuteten Spulenkopplung.

Da sich durch die in Fig. 9 angedeutete Kopplung der Eingangsspule L1′′ mit der Ausgangsspule L2′′ aber nur der Eingangs- oder der Ausgangsripple eliminieren läßt, wird auch in diesem Falle, wie in Fig. 10 gezeigt, einer Eintransformatorlösung der Vorzug gegeben, bei wel­ cher sich sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangswel­ ligkeit eliminieren läßt. In diesem Fall ist eine Schaltungsvariante des zugrunde liegenden uk-Wandlers gewählt, die eine zentrale, einseitig mit der Masseschiene M1 verbundene Spule Lo aufweist, die im oberen Zweig über zwei Kondensatoren C1′ und C2′ je­ weils mit Eingangs- und Ausgangsspule L1 bzw. L2 ver­ bunden ist. Die Verbindungspunkte von Eingangsspule und Ausgangsspule mit den jeweiligen Reihenkondensato­ ren werden dann über die abwechselnd öffnenden und schließenden Teilschalter S1 und S2 mit der Masse­ schiene M1 verbunden, wobei die Eintrafo-Lösung einen gemeinsamen Transformator To′ umfaßt, der wiederum die Eingangsspule L1 mit der zentralen Spule Lo und die Ausgangsspule L2 mit der zentralen Spule Lo kop­ pelt, jedoch nicht Eingangs- mit Ausgangsspule, wie auch bei dem Grundbeispiel der Fig. 3.

Die hier noch in den Fig. 9 und 10 dargestellten Varianten können der Realisierung von Vierquadranten­ schaltverstärkern oder -wandlern ebenfalls zugrunde gelegt werden, also mit einem gemeinsamen zweipoligen Umschalter anstelle der jeweiligen Teilschalter oder mit nur einer zentralen Spule Lo, die an der unteren Schiene M1 liegt.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (13)

1. Elektrischer Wandler oder Konverter, mit einem Spei­ sespannungseingangsanschluß, einem Signalspan­ nungseingangsanschluß und einem Ausgangsspannungs­ anschluß, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines digitalen Vierquadrantenwandlers ein Zwei­ quadrantenwandler (10) eingesetzt und so ausgebildet ist, daß seine Ausgangsspannung (U_A) kleiner oder größer als die Eingangsspannung (U_E) einstellbar ist, wobei jedoch der Ausgangsspannungsanschluß offen gelassen und die Last (ohmsch, induktiv, ka­ pazitiv) zwischen Ausgangsspannungsanschluß und Eingangsspannungsanschluß geschaltet ist, so daß sich zusätzlich ein Lastspannungsanschluß ergibt.

2. Elektrischer Wandler oder Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweiquadrantenwand­ ler (10) ein modifizierter uk-Wandler ist mit einer mit ihrem einen Anschluß den Eingangsspan­ nungsanschluß bildenden Eingangsspule (L1, L1′′), mindestens einem mit dieser in Reihe geschalteten Kondensator (C, C1, C1′), einer den Ausgangs­ spannungsanschluß bildenden Ausgangsspule (L2, L2′′) und einem durch das Tastverhältnis seiner Schalt­ vorgänge die Signalinformation bildenden Schalter (Umschalter S; Teilschalter S1, S2),der den je­ weils anderen Anschluß der Eingangs- bzw. Ausgangs­ spule mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt (Grund­ schiene M1) verbindet.

3. Elektrischer Wandler oder Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs­ spule (L1) mit einem Kondensator (C1) und einer weiteren Spule (L1′) in Reihe geschaltet ist, daß parallel zu dem Reihenkondensator (C1) und der wei­ teren Spule (L1′) ein Teilschalter (S1) geschaltet ist, der im Gegentakt arbeitet mit einem weiteren Teilschalter (S2), der parallel zu einem Reihen­ kondensator (C2) und einer weiteren Spule (L2′) zur Ausgangsspule (L2) geschaltet ist und wobei mindestens die beiden weiteren Spulen (L1′, L2′) und/oder Eingangs- und Ausgangsspule (L1, L2) mag­ netisch miteinander gekoppelt sind und der indukti­ ve, kapazitive oder ohmsche Lastzweipol (R_L) über die beiden Schaltungspunkte (P1, P2) geschaltet ist, dem einmal die Eingangsspannung (U_E) zuge­ führt ist und an dem sich zum anderen die (hier nicht berücksichtigte) Ausgangsspannung (U_A) er­ gibt (Fig. 2).

4. Elektrischer Wandler oder Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger gemeinsamer, die beiden weiteren Spulen (L1′, L2′) miteinander und jeweils mit der Eingangsspule (L1, L2), jedoch nicht Eingangsspule mit Ausgangsspule verkoppelnder Transformator (To) vorgesehen ist.

5. Elektrischer Wandler oder Konverter nach An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der sämtliche Spulen mit Ausnahme der Eingangs- mit der Ausgangs­ spule verkoppelte Transformator (To) aus vier U-förmigen Ferriten oder Eisenblechlaminaten (U1, U2, U3, U4) als Trans­ formatorkerne besteht, wobei der erste Transforma­ torteilkern (U1) die Eingangswicklung (L1), der zweite Transformatorteilkern mit seinem Rückensteg mit dem dritten Transformatorteilkern (U3) verbunden ist und beide Teilkerne (U2, U3) die weiteren Wick­ lungen (L1′, L2′) gemeinsam tragen und der vierte Transformatorteilkern (U4) die Ausgangswicklung (L2) trägt derart, daß Eingangs- und Ausgangswick­ lung durch den magnetischen Kurzschluß über den zentralen Mittelsteg der inneren Transformatorteil­ kerne (U2, U3) gegeneinander entkoppelt sind (Fig. 11).

6. Elektrischer Wandler oder Konverter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungspunkt (P1′), an welchem die speisende Eingangsspannung (U_E) zugeführt wird, mit Masse verbunden ist derart, daß der Lastzweipol (R_L) massebezogen angeschaltet ist.

7. Elektrischer Wandler oder Konverter nach An­ spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil­ schalter (S1, S2) bei massebezogenem Lastzweipol potentialgetrennt angesteuert sind oder bei massebezoge­ ner Ansteuerung ein digitaler Levelshift vorgenom­ men ist (Fig. 5) .

8. Elektrischer Wandler oder Konverter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb des Vierquadrantenwandlers als Wechselspan­ nungsverstärker die Last über einen Kondensator (Co, Co′, Co′′) angekoppelt ist.

9. Elektrischer Wandler oder Konverter nach An­ spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Last­ zweipol (R_L) über seinen Ankopplungsreihenkonden­ sator (Co′) mit dem mit einer gemeinsamen Grund­ schiene (M1) verbundenen Eingangsspannungsanschluß verbunden ist (Fig. 7).

10. Elektrischer Wandler oder Konverter nach An­ spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei beibe­ haltender Ankopplung des Lastzweipols (R_L) über einen Reihenkoppelkondensator (Co′) ein Anschluß des Lastzweipols mit der gemeinsamen, Massepoten­ tial führenden Grundschiene (M1) verbunden ist (Fig. 8).

11. Elektrischer Wandler oder Konverter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Ankopplung des Lastzweipols (R_L) über einen Reihenkondensator (Co) der Zweiquadranten- Grundschaltwandler ein invertierender Wandler (U_E < 0; U_A < 0) ist.

12. Elektrischer Wandler oder Konverter nach An­ spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ gangsspule (L1′′ des invertierenden Wandlers mit einem Reihenkondensator (C) und der Ausgangsspule (L2′) in Reihe geschaltet ist und die beiden Spu­ lenanschlüsse mit dem mittleren Kondensator (C) über einen gemeinsamen Umschalter (S) jeweils mit der Grundschiene (M1) verbunden sind, wobei eine Transformatorkopplung (T3) zwischen Eingangs- und Ausgangsspule besteht (Fig. 9).

13. Elektrischer Wandler oder Konverter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Realisierung des Vierquadrantenwandlers als Wechselspannungsverstärker mit Ankopplung des Lastzweipols (R_L) über einen Reihenkondensator (Co) Eingangsspule (L1) und Ausgangsspule (L2) jeweils mit Reihenkondensatoren (C1′, C2′) miteinander und gegen die gemeinsame Grundschiene über eine zentra­ le Spule (Lo) verbunden sind, wobei die Verbin­ dungspunkte der Spule mit den Reihenkondensatoren über Teilschalter (S1, S2) im Gegentakt geschaltet und Eingangsspule (L1) und Ausgangsspule (L2) je­ weils über untereinander entkoppelte Transforma­ torkopplungen mit der einen gemeinsamen zentralen Spule (Lo) magnetisch gekoppelt sind (Fig. 10).