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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, der
einen ΔΣ-Modulator verwendet,
um den zu einem Induktions- und Leistungsschaltelement fließenden, überhöhten Spitzenstrom
zu begrenzen, indem der zur Induktivität fließende Strom mittels eines Integrators
bestehend aus einem ΔΣ-Modulator überwacht
wird.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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ΔΣ-Modulation
ist ein Modulationsverfahren, bei dem das Eingangssignal des Modulators
integriert, die Quantisierung durch das Vergleichen des integrierten
Werts mit einer Vergleichsspannung ausgeführt und das Modulatorausgangssignal
zum Modulatoreingang rückgekoppelt
wird. 3 ist ein Blockschaltbild eines primären ΔΣ-Modulators. Ein Gleichspannungswandler,
der ein Leistungsschaltelement 8 schaltet, kann unter Verwendung
dieses Modulationssystems geschaffen werden.
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4 zeigt
einen Abwärts-Gleichspannungswandler
als Beispiel eines Verfahrens, das eine ΔΣ-Modulation gemäß dem bekannten
Stand der Technik verwendet. Dieser Gleichspannungswandler ist mit
einem Glättungskreis 18 ausgestattet, der ΔΣ-Modulator 6 ist
mit der Ausgangsseite dieses Glättungskreises 18 über eine
Fehlerverstärkungsschaltung 13 verbunden
und die Ausgangsseite dieses ΔΣ-Modulators 6 ist
mit dem Eingang des Leistungsschaltelements 8 über eine
Gate- oder Gatteransteuerschaltung 7 verbunden.
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Eine
konstante Ausgangsspannung kann durch Vergleichen der Wandlerausgangsspannung mit
einer Vergleichsspannung, Durchführen
der ΔΣ-Modulation
als Modulatoreingangssignal des ΔΣ-Modulators 6 unter
Verwendung der Fehlerverstärkersignalspannung
der verglichenen Spannung, Schalten des Leistungsschaltelements 8 in Übereinstimmung
mit dem Ausgangssignal des Modulators 6 und Einspeisen
des oben genannten Schaltausgangssignals in Glättungskreis 18 erzielt
werden.
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Im
Gegensatz zu einem Gleichspannungswandler, der ein früher übliches
Pulsweitenmodulationssystem (im Folgenden als PWM bezeichnet) benutzt
und sich durch eine konstante Schaltfrequenz auszeichnet, sind Gleichspannungswandler,
die eine ΔΣ-Modulation
verwenden, mit der Abtastfrequenz des ΔΣ-Modulators synchronisiert und
das Ausgangsbitsignal 1 wird derart verändert, dass die Abweichung
zwischen der Fehlerverstärkersignalspannung
und der Modulatorausgangssignalspannung minimal wird. Folglich ändert sich
die ΔΣ-Modulatoreingangssignalspannung
in Übereinstimmung
mit der Gleichspannungswandlerausgangsspannung, demzufolge dieses
Modulationssystem die Eigenschaft der Schaltfrequenzänderung
aufweist.
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Obwohl
besondere Aufmerksamkeit dem Vorteil einer Verbesserung des Wirkungsgrads
der Spannungsumwandlung des Wandlers im Vergleich zum PWM-System
als Ergebnis des Haltens des Schaltverlusts, der einem Leistungsverlust
durch Schalten entspricht, auf einem niedrigen Wert gilt, da die
Anzahl der Schaltzyklen in einer ΔΣ-Modulation geringer
ist, besonders dann, wenn der Ausgangsstrom des Gleichspannungswandlers
gering ist, entstehen dadurch die im Folgenden beschriebenen Probleme.
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Gleichspannungswandler
haben die Eigenschaft, dass der Strom während der Zeit, in der das Leistungsschaltelement 8 ausgeschaltet
ist, durch den Gleichrichter 14 fließt, während sich der Kondensator 15 elektrisch
entlädt
und der Strom, aufgrund des Vorhandenseins der Induktivität 16,
allmählich statt
sehr schnell weniger wird, während
der Strom in der Zeit, in der das Leistungsschaltelement 8 eingeschaltet
ist, durch das Leistungselement 8 zur Induktivität 6 fließt, sich
der Kondensator 15 entlädt
und der Strom aufgrund des Vorhandenseins der Induktivität 16,
allmählich
ansteigt und der fließende
Strom zunimmt, je länger
die Zeitspanne, in der das Leistungsschaltelement 8 eingeschaltet
ist, dauert.
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Da
die Schaltfrequenz im PWM-System konstant ist und obwohl die Zeitspanne,
in der das Leistungsschaltelement 8 eingeschaltet ist,
beinahe konstant bleibt, wobei vorrausgesetzt wird, dass der Ausgangsstrom
des Gleichspannungswandlers konstant ist, treten im PWM-System Fälle auf,
in denen ein Zustand eintritt, in dem ein Leistungsschaltelement 8 für eine lange
Zeitspanne aktiviert ist, sogar dann, wenn der Ausgangsstrom des
Gleichspannungswandlers konstant bleibt; dieser Zustand tritt dann
besonders häufig
auf, wenn der Ausgangsstrom des Gleichspannungswandlers sehr hoch
ist.
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Aufgrund
der oben angeführten
Eigenschaften und da sich Fälle
ereignen können,
in denen sich die Zeitperiode der Aktivierung des Leistungsschaltelements 8 in
einer ΔΣ-Modulation
im Vergleich zur PWM-Modulation verlängert, tritt das Problem des Spitzenstroms
auf, der innerhalb des Wandlers fließt und immer mehr zunimmt.
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Da
der Leistungsverlust des Leistungsschaltelements 8 durch
das Produkt des Durchschalt-Widerstands des Leistungsschaltelements 8 und
dem Quadrat des zum Leistungsschaltelement 8 fließenden Stroms
festgelegt ist, wenn der zum Leistungsschaltelement 8 fließende Strom
zunimmt, steigt der Leistungsverlust im Leistungsschaltelement 8 extrem an.
Da der Leistungsverlust im Gleichrichter 14 durch die Durchlassspannung
und den fließenden
Strom bestimmt wird und der Leistungsverlust auch ansteigt, wenn
der zum Gleichrichter 14 fließende Strom zunimmt, besonders
in Fällen,
in denen der Ausgangsstrom des Gleichspannungswandlers sehr hoch
ist, hatten die mit ΔΣ-Modulation
arbeitenden Wandler, aufgrund des höheren, innerhalb des Wandlers
fließenden
Stroms, das Problem eines niedrigen Wirkungsgrads der Spannungsumwandlung
im Vergleich zu den mit PWM-Modulation arbeitenden Wandlern.
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Dies
bedeutet, dass, obwohl der Vorteil eines höheren Wirkungsgrads der Spannungsumwandlung verglichen
mit der PWM-Modulation vorhanden ist, wenn der Ausgangstrom des
Gleichspannungswandlers gering ist, im Falle einer ΔΣ-Modulation
unter Anwendung des Verfahrens gemäß Stand der Technik Fälle auftreten,
in denen der innerhalb des Wandlers fließende Spitzenstrom ansteigt,
wodurch das Problem einer Abnahme des Wirkungsgrads der Spannungsumwandlung
entsteht. Dokument EP-0792006 offenbart ein Gleichspannungsschaltnetzteil
mit einem Delta-Sigma-Wandler
in einem geschlossenen Regelkreis.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
Anbetracht der oben erwähnten
Probleme des bekannten Stands der Technik ist das Ziel der vorliegenden
Erfindung einen höchst
leistungsfähigen
Gleichspannungswandler mit ΔΣ-Modulation
zur Begrenzung des innerhalb des Wandlers fließenden Spitzenstroms durch Überwachen
des innerhalb des Wandlers fließenden
Stroms mit einem Integrator, der im Inneren eines ΔΣ-Modulators
angeordnet ist, bereitzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Gleichspannungswandler gemäß Anspruch
1 bereit. Der Gleichspannungswandler schaltet ein Leistungsschaltelement
durch Einspeisen eines analogen oder digitalen Mehrbit-Eingangssignals
in einen ΔΣ-Modulator
und durch Übermitteln
dieses Modulationssignals an das Leistungsschaltelement über die
Gatteransteuerschaltung, worin ein zur Induktivität fließender, überhöhter Spitzenstrom
durch Überwachen
des innerhalb des Wandlers fließenden
Stroms mit einem Integrator, der sich innerhalb des ΔΣ-Modulators
befindet, begrenzt wird.
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Der ΔΣ-Modulator
besteht aus mindestens einer Addierschaltung, einem Integrator und
einem Quantisierer und weist einen Rückkopplungspfad auf, der vom
Ausgang des Quantisierers zum Eingang der zumindest einen Addierschaltung
rückkoppelt,
wobei zumindest ein Integrator mit dem Ausgang der Addierschaltung
verbunden ist und zumindest ein Ausgang des Integrators mit dem
Quantisierer verbunden ist.
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Der
Gleichspannungswandler ist ebenfalls mit einer Addierschaltung,
die als Eingang des ΔΣ-Modulators
dient und einem mit dem Ausgang dieser Addierschaltung ver bundenen
Integrator sowie einer analogen Addierschaltung und einem analogen
Integrator versehen, die im Falle der Einspeisung eines kontinuierlichen
Zeitsignals in der Art und Weise eines analogen Signals zu einem
Modulator, verwendet werden, während
eine digitale Addierschaltung und ein digitaler Integrator im Falle
der Einspeisung eines diskreten Zeitsignals in der Art und Weise
eines Mehrbitsignals zu einem Modulator benutzt werden.
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Der
Quantisierer führt
das Abtasten des diskreten Zeitsignals durch, während der Ausgang dieses Quantisierers
und der Ausgang einer Stromregelschaltung, der mit dem Ausgang des
oben erwähnten
Integrators und dem Ausgang einer Fehlerverstärkerschaltung verbunden ist,
mit dem Eingang einer UND-Schaltung verbunden sind, die die endgültige Pulsweite
bestimmt und das Ausgangssignal dieser UND-Schaltung mit dem Eingang einer Gatteransteuerschaltung
verbunden ist, die ausreichend Strom und Spannung für das Ansteuern
des Leistungsschaltelements liefert.
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Der
Ausgang der oben genannten Gatteransteuerschaltung ist mit dem Eingang
eines Leistungsschaltelements verbunden, der die Eingangsspannung
des Gleichspannungswandlers schaltet, während der Ausgang des Leistungsschaltelements mit
einem Glättungsschaltkreis
verbunden ist und der Ausgang dieses Glättungskreises zum Ausgang des Gleichspannungswandlers
wird.
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Der
oben genannte Rückkopplungspfad
im ΔΣ-Modulator
ist mit einem Abschwächer
ausgestattet, der das Ausgangssignal des Quantisierers an den Eingangssignalpegel
des ΔΣ-Modulators
anpasst. Ein einen Abschwächungsfaktor
von 0 aufweisender Abschwächer
ist jedoch auch möglich,
wenn der Signalpegel des Quantisiererausgangs und der Signalpegel
des ΔΣ-Modulatoreingangs
schon von vorneherein übereinstimmen
und ein Abschwächer nicht
notwendig ist.
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Die
vorliegende Erfindung hat eine derartige Zusammensetzung, dass der
Ausgang des oben erwähnten
Integrators und der Ausgang des oben genannten Fehlerverstärkers durch
die oben erwähnte Stromregelschaltung
verglichen werden, ein über höhtes Spitzensignal
mit dem Ausgang des oben genannten Integrators erzeugt wird, ein
Pulssignal von der Stromregelschaltung ausgegeben wird, wenn dieses überhöhte Spitzensignal
den Ausgangssignalpegel des oben erwähnten Fehlerverstärkers erreicht hat
und ein Signal, welches das Leistungsschaltelement abschaltet, in
das Leistungsschaltelement durch eine Gatteransteuerschaltung mittels
der oben genannten UND-Schaltung eingespeist wird, nachdem der Pulssignalausgang
von der Stromregelschaltung empfangen wurde.
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Wenn
die hohe Leistung von einem mit dem Gleichspannungswandler verbundenen
Lastwiderstand zunimmt und der Wandlerausgangsstrom in einem gewissen
Umfang ansteigt, obwohl der zur Induktivität innerhalb des Glättungskreises
fließende Strom
immer 0 A oder mehr beträgt
und seine Wellenform eine zerhackte Welle darstellt, die in Übereinstimmung
mit dem Ein- und dem Aus-Zustand des Leistungsschaltelements wiederholt
ab- und zunimmt, selbst dann wenn es Fälle gibt, in denen die Ausgangsspannung
des Intergrators innerhalb des ΔΣ-Modulators
in Form einer ähnlichen
zerhackten Welle vorliegt und aufgrund der Schaltungskonfiguration
des Gleichspannungswandlers invertiert ist, da die Wellenform des
zur Induktivität
fließenden
Stroms und die Wellenform des Integratorausgangsspannung analog
sind, wird ein Effekt, der ähnlich
dem Überwacher
des zur Induktivität
fließenden
Stroms, nämlich
dem innerhalb des Gleichspannungswandlers fließenden Stroms ist, durch Überwachung
des Integratorausgangs erzielt.
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Da
das Ausschalten des Leistungsschaltelements durch Detektieren der
Spitzenausgangsspannung des Integrators gleich dem Ausschalten des Leistungsschaltelements
durch Detektieren des innerhalb des Gleichspannungswandlers fließenden Spitzenstromes
ist, ermöglicht
die vorliegende Erfindung, dass der innerhalb des Gleichspannungswandlers
fließende, überhöhte Spitzenstrom
unterdrückt
wird und ein höchst
leistungsfähiger
Gleichspannungswandler geschaffen werden kann.
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In
einem Gleichspannungswandler mit ΔΣ-Modulation
kann durch Überwachen
des zur Induktivität
fließenden
Stroms mit einem innerhalb eines ΔΣ-Modulators
zusam mengesetzten Integrator, der innerhalb des Wandlers fließende, überhöhte Spitzenstrom
begrenzt werden, was die Bereitstellung eines höchst leistungsfähigen Gleichspannungswandlers
und stabiler Regelung, die keinen Widerstandsmessfühler benötigt, ermöglicht.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockschaltbild eines Beispiels einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
ein Blockschaltbild, in dem die vorliegende Erfindung auf einen
Abwärtswandler
angewandt wird.
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3 ist
ein Blockschaltbild eines ΔΣ-Modulators.
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4 ist
ein Blockschaltbild eines Abwärtswandlers
vom ΔΣ-Typ gemäß dem bekannten
Stand der Technik.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
eines Gleichspannungswandlers gemäß der vorliegenden Erfindung wird
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen im Folgenden erläutert.
Die gleichen Bezugszeichen werden denselben Elementen wie in den
Beschreibungen der Zeichnungen zugeordnet, wobei wiederholende Erklärungen ausgelassen
wurden.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Ausführungsform ist derart gestaltet,
dass sie den zur Induktivität
fließenden
Strom detektiert, wobei diese Induktivität mit einem Glättungskreis 18 versehen
ist, indem sie mit einem ΔΣ-Modulator 6 ausgestattet
ist, und somit ein Integrator 3 in diesem ΔΣ-Modulator 6 bereitgestellt
ist. Weiters ist eine Stromregelschaltung 19 mit dem Integrator 3 verbunden
und eine UND-Schaltung 12 ist mit dieser Stromregelschaltung 19 und
dem ΔΣ-Modulator 6 verbunden
und ein Leistungsschaltelement 8 ist mit dieser UND-Schaltung 12 über die
Gatteransteuerschaltung 7 verbunden.
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Außerdem wird
der zur oben genannten Induktivität und diesem Leistungsschaltelement 8 fließende, überhöhte Spitzenstrom
begrenzt, indem das mittels Integrator 3 ermittelte Ausgangssignal
durch die Stromregelschaltung 19 geleitet wird und ein
zusammengesetztes Pulssignal des Ausgangssignalergebnisses der Stromregelschaltung 19 sowie
das Ausgangssignalergebnis des ΔΣ-Modulators 6 für das Leistungsschaltelement 8 bereitgestellt
werden.
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Weiters
wird ein Abschwächer 11 mit
dem Ausgang eines Quantisierers 4 verbunden und dieser Abschwächer ist
mit einem Rückkopplungspfad 10 versehen,
der mit dem Eingang einer Addierschaltung 2 verbunden ist.
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Der
Gleichspannungswandler, der nach der oben erwähnten Weise aufgebaut ist,
arbeitet wie im Folgenden beschrieben: Das Modulatoreingangssignal 1 ist
Eingang für
die Addierschaltung 2, der Ausgang dieser Addierschaltung 2 ist
der Eingang für den
Quantisierer 4 durch den Integrator 3, das Ausgangssignal
dieses Quantisierers 4 wird in ein digitales 1-Bit-Signal
umgewandelt und mit einem Frequenzsignal synchronisiert und dieses
Signal wird dann zum Eingangssignal der UND-Schaltung 12.
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Andererseits
werden das Modulatoreingangssignal 1 und das Ausgangssignal
der Addierschaltung 3 in der Stromregelschaltung 19 verglichen und
dieses Vergleichssignal ist das Eingangssignal für die UND-Schaltung 12.
Die Spannung/der Strom eines Signals, das gemäß dem Signaleingangssignal zu
dieser UND-Schaltung erzeugt wurde, wird dann in der Gatteransteuerschaltung 7 verstärkt und
an das Leistungsschaltelement 8 weitergeleitet.
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Obwohl
es möglich
ist, durch serielles Einsetzen eines Detektionswiderstands in einem
Pfad des Wandlerausgangsstroms und durch Detektieren des Stroms
unter Verwendung eines Spannungssignals gemäß dem Spannungsabfall, den
Strom zu begrenzen, benötigt
ein Verfahren zur Begrenzung des Stroms in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal der
Addierschaltung 3, wie in der vorliegenden Erfindung, einen
Widerstandsmessfühler
nicht länger,
es entsteht durch den Widerstand kein Verlust und daher treten kaum
Störungen
aus der Wandlerschaltstufe in den Regelkreis ein und verursachen
daher keine Instabilität
des Regelkreises, wodurch eine stabile Regelung ermöglicht wird.
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2 ist
ein Blockdiagramm, in dem die vorliegende Erfindung auf einen ΔΣ-Modulatortyp eines Abwärtswandlers
angewandt wird. Dieser Abwärtswandler
ist derart gestaltet, dass der Spannungsausgang zum Lastwiderstand 17 und
die Differentialspannung der Referenzspannung 20 durch
die Fehlerverstärkerschaltung 13 verstärkt werden,
ein am Leistungsschaltelement 8 angelegter Impuls vom Pfad
erzeugt wird, in dem diese Differentialspannung als Eingangssignal
in den ΔΣ-Modulator 6 und
das modulierte Signal als Eingangssignal in die UND-Schaltung 12 dient,
und von diesem Pfad, in dem diese Differentialspannung und das vom ΔΣ-Modulator 6 erhaltene
Signal als Eingangssignale in die Stromregelschaltung 19 dienen
und dieses Steuersignal in die UND-Schaltung 12 eingespeist
wird und die in dieser UND-Schaltung 12 erzeugten Impulse Eingangssignale
für die
Gatteransteuerschaltung 7 gefolgt vom Ansteuern des Leistungsschaltelements 8 mit
dem Ausgangssignal dieser Gatteransteuerschaltung 7 sind.
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Die
Eingangsspannung 23 ist ein analoges Signal und wenn beispielsweise
eine Gleichspannung als Eingangssignal dient, dann ist der Ausgang des
Leistungsschaltelements 8 dazu in der Lage eine Gleichspannung
zu erhalten, für
die die Leistung verstärkt
wurde. Denn diese Eingangsspannung 23 kann einen Gleichspannungswandler
in Übereinstimmung
mit der Ausgangsspannung 9 ansteuern. Da das der Modulation
folgende Signal in ein binäres
Signal umgewandelt wird, kann der Gleich spannungswandler leicht
in Form eines integrierten Schaltkreises aufgebaut sein, wobei die
Bereitstellung eines kompakten Gleichspannungswandlers möglich wird.
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In
dieser Weise wird das Pulssignal mit der UND-Schaltung 12 durch ΔΣ-Modulator 6 erzeugt und
das Signal der Stromregelschaltung 19 wird auf das Leistungsschaltelement 8 angewendet
und begrenzt den zur oben genannten Induktivität in Form eines Pulssignals
fließenden
Strom, für
den die EIN-Impulsdauer beschränkt
ist, wenn der Spitzenstrom der oben erwähnten Induktivität den Schwellenwert
der Fehlerverstärkerschaltung 13 erreicht.
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Obwohl
ein Abwärtswandler
in 2 beschrieben wird, kann die vorliegende Erfindung
klarerweise auch auf einen Abwärtswandler
oder einen Polaritätsumkehrumsetzer
mittels Verwendung eines ähnlichen
Verfahrens angewendet werden.
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Außerdem kann
ein strombegrenzender, ΔΣ-modulierender
Gleichspannungswandler geschaffen werden, der den Induktivitätsstrom
durch das Vorhandensein eines Pfads begrenzt, in dem das Ausgangssignal
des Integrators 3 und das Ausgangssignal der Fehlerverstärkerschaltung 13 als Eingänge für die UND-Schaltung 12 durch
einen Komparator dienen, und eines Pfads, in dem das Ausgangssignal
der Fehlerverstärkerschaltung 13 mit
der Addierschaltung 2, dem Integrator 3 und dem Quantisierer 4 moduliert
und dann als Eingangssignal in die UND-Schaltung 12 weitergegeben
wird und die Ein-Impulsdauer in der UND-Schaltung 12 durch Signale
dieser beiden Pfade begrenzt wird.
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Darüberhinaus
kann durch Bereitstellen von zwei oder mehreren Integratoren 3,
die in Reihe mit dem Ausgang dieser Addierschaltung geschaltet sind,
oder durch Vorhandensein eines oder mehrerer Integratoren 3,
die parallel zum Ausgang dieser Addierschaltung 2 geschaltet
sind, wobei erstere die Abtastgenauigkeit erhöhen kann, während letztere den Parallelausgang
angleichen kann, auf diese Weise die Bereitstellung eines hochgenauen,
mit mehreren Ausgängen
versehenen Gleichspannungswandlers in einem kompakten integrierten
Schaltkreis ermöglicht
werden.