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Technischer
Bereich
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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Gerät zum automatischen
Schalten einer Last zwischen unterschiedlichen Versorgungsbzw. Speisespannungen abhängig von
variierenden Spannungsanforderungen bzw. vom variierenden Spannungsbedarf
der Last.
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Hintergrund
der Erfindung
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Eine Interface-Schaltung einer Teilnehmerleitung
(SLIC), welche eine Zwei-Leitungs-Schaltung zu versorgen hat, besitzt
eine Einspeisecharakteristik, welche sowohl die Leitungsspannung
als auch den Leitungsstrom als Funktion der Leitungsbelastung macht.
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Wenn die Leitung offen ist, wird
sie zu der gleichen Zeit mit maximaler Spannung versorgt, wenn der
Strom null ist. Damit die SLIC funktionieren kann, muss sie Zugriff
auf eine Versorgungsspannung besitzen, welche etwas höher als
die erforderliche Leitungsspannung ist.
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Wenn die Leitung abgeschlossen wird,
d. h. wenn die Leitung belastet wird, wird die Leitungsspannung
abnehmen und der Leitungsstrom in Abhängigkeit von der Summe der
Widerstände
der Leitungen und der Last zunehmen.
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Der Unterschied zwischen der Versorgungsspannung
und der Leitungsspannung wird über
die SLIC zugeführt,
durch welche der Leitungsstrom fließt. Dies verursacht einen Leistungsverlust
in der SLIC.
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Der Leistungsverlust in der SLIC
wird für
kurze Leitungen am höchsten
sein, d. h. für
einen insgesamt niedrigen Widerstandswert der Leitungen und der
Last.
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In vielen Fällen akzeptiert man den Leistungsverlust
in der SLIC. In gewissen Fällen
kann ein DC/DC-Wandler in jeder Leitung benutzt werden, um den maximalen
Leistungsverlust niedrig zu halten. Die Ausgangsspannung von dem
jeweiligen Wandler wird dann kontinuierlich gesteuert, um an die
augenblickliche Leitungslast angepasst zu sein. Jedoch bringt das
Nutzen derartiger Wandler gewisse Nachteile in Form von interferierender
Strahlung und einer erhöhten
Schaltungskomplexität
mit sich.
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Durch das Vorhandensein eines Zugriffs
auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Versorgungsspannungen können die
Leistungsverluste in der SLIC durch das Schalten auf diejenige Versorgungsspannung
reduziert werden, welche für
den Augenblick den niedrigsten adäquaten Absolutwert besitzt.
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Es ist bekannt, einen Schalter zu
benutzen, um eine geeignete Versorgungsspannung anzuwenden. Eine
derartige Lösung
erfordert jedoch, dass der Entscheidungspegel für das Schalten zwischen unterschiedlichen
Spannungen eine gewisse Hysterese besitzt, so dass man nicht in
einer Situation endet, in welcher die Schalter fortwährend nur
zurück-
und vorwärtsschalten.
Außerdem
verursacht das Schalten zwischen unterschiedlichen Spannungen eine schrittweise
Veränderung
der Versorgungsspannung für
die Treiberverstärker
der SLIC, was zu Störungen führt.
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Der Stand der Technik, welcher sich
auf dieses technische Feld bezieht, wird in der
EP 0 550 006 veröffentlicht, wobei ein Verfahren
und eine Anordnung zur Versorgung eines direkten Stromes für eine Telefonleitung
beschrieben werden, indem programmierbare Stromversorgungscharakteristika
benutzt werden, und in der
EP
0 585 115 , in welcher ein Multiplexersystem beschrieben
wird, welches einen Multiplexschalter beinhaltet, um eine Stromquelle
hoher Leistung anzuschließen,
wenn dies rotwendig ist.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es,
ein Versorgungsspannungsschaltgerät zu liefern, welches nicht die
oben aufgeführten
Nachteile aufweist, und welches den Leistungsverlust bei einer Last
minimiert, welche veränderlichen
Spannungsbedarf besitzt.
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Dies wird durch das Gerät entsprechend
der Erfindung zum automatischen Schalten einer Last zwischen unterschiedlichen
Versorgungsspannungen, in Abhängigkeit
von variierendem Spannungsbedarf der Last, hauptsächlich dadurch
erreicht, dass es eine Anzahl von analogen seriellen Reglern aufweist,
deren Versorgungsspannungs-Verbindungsanschlüsse an eine individuelle dieser
Versorgungsspannungen anzuschließen ist, deren Ausgangsanschlüsse an die
Last anzuschließen
sind, um individuell der Last Strom in ein und derselben Richtung zu/abzuführen, und
deren Referenzspannungs-Eingangsanschlüsse mit einer individuellen
Referenzspannung abhängig
von dem Spannungsbedarf der Last in einer derartigen Weise zu versorgen
sind, dass ein Serienregler, welcher an eine Versorgungsspannung
mit einem größeren Absolutwert
angeschlossen ist, adaptiert ist, so dass er mit einer Referenzspannung
mit einem kleineren absoluten Wert als ein Serienregler versorgt
wird, welcher an eine Versorgungsspannung mit einem kleineren Absolutwert
angeschlossen ist, und dadurch danach strebt, eine Ausgangsspannung
an seinem Ausgangsanschluss auszugeben, welche einen kleineren Absolutwert
besitzt als die Ausgangsspannung, welche ein serieller Regler, welcher
mit einer Versorgungsspannung mit einem kleineren Absolutwert angeschlossen
ist, anstrebt auszugeben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die Erfindung wird nachfolgend mehr
im Detail mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben,
in welcher die einzige Darstellung eine Ausführungsform eines Gerätes entsprechend der
Erfindung zeigt, bei einer Last in Form einer schematisch aufgezeigten
SLIC.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
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In der Zeichnung bezeichnet 1 im
Allgemeinen ein Gerät
zum automatischen Schalten einer Last zwischen einer vorher festgelegten
Anzahl von unterschiedlichen Versorgungsspannungen abhängig von
sich änderndem
Spannungsbedarf der Last.
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In der gezeigten Ausführungsform
weist die Last eine schematisch dargestellte SLIC 2 auf,
welche zwei Ausgangsverstärker 3 und 4 zum
Versorgen einer Teilnehmerleitung besitzt, welche zwei Drähte A und
B besitzt, welche am anderen Ende an einer Station L eines Teilnehmers
angeschlossen sind.
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Die SLIC 2 ist zwischen
der Erde G und dem Schaltgerät 1 entsprechend
der Erfindung angeschlossen.
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In der gezeigten Ausführungsform
weist das Schaltgerät 1 drei
analoge serielle Regler 5, 6 und 7 auf,
aber, wie dies durch eine gestrichelte Linie angezeigt wird, es
können
mehr als drei serielle Regler vorhanden sein. Es soll darauf hingewiesen
werden, dass natürlich
auch weniger als drei serielle Regler vorhanden sein können. Die
Ausgangsanschlüsse der
seriellen Regler 5, 6 und 7 sind an die
SLIC 2 angeschlossen und sind angepasst, individuell Strom der
SLIC 2 in ein und derselben Richtung zu-/abzuführen. Diese
Funktion wird durch die Dioden 8, 9 und 10 jeweils
in der gezeigten Ausführungsform
dargestellt.
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Jeder serielle Regler 5, 6 und 7 besitzt
jeweils einen Spannungsversorgungs-Verbindungsanschluss 11, 12 und 13,
welcher jeweils an eine individuelle Versorgungsspannung VBl, VB2
und VB3 anzuschließen
ist.
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VB3 ist die Versorgungsspannung,
welche den größten absoluten
Wert besitzt. In dieser Ausführungsform
wird für
VB3 –48V
angenommen, d. h. entsprechend gleich der Batteriespannung. Die
absoluten Werte der Versorgungsspannungen VB2 und VB1 sind in diesem
Fall vorher niedriger als die Versorgungsspannung VB3 festgelegt
und sind jeweils z. B. –30V
und –15V.
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Außerdem hat jeder serielle Regler 5, 6 und 7 jeweils
einen Referenzspannungs-Eingangsanschluss 14, 15 und 16,
welcher in dieser Ausführungsform
jeweils mit einer individuellen, negativen Referenzspannung VR1,
VR2 und VR3 zu versorgen ist, abhängig von dem Bedarf an negativen
Spannungen der SLIC 2.
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In der gezeigten Ausführungsform
entspricht VR3 der gewünschten
negativen SLIC-Spannung, während
die Referenzspannungen VR2 und VR1 mit den Spannungen korrespondieren,
deren absolute Werte vorher größer als
VR3 festgelegt wurden, z. B. VR2 = VR3 – 0,5V und VR1 = VR3 – 1,0V,
wie dies schematisch durch Batteriezellen auf der Zeichnung angezeigt
wird. Dadurch ist VR2 negativer als VR3, während VR1 negativer sowohl
als VR3 als auch als VR2 in dieser Ausführungsform ist, bei welcher
negative Spannungen benutzt werden.
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Damit wird entsprechend der Erfindung
ein serieller Regler, welcher an eine Versorgungsspannung mit einem
größeren Absolutwert
angeschlossen ist, mit einer Referenzspannung mit einem kleineren
absoluten Wert beliefert als ein serieller Regler, welcher an eine
Spannungsversorgung mit einem kleineren absoluten Wert angeschlossen
ist.
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In der gezeigten Ausführungsform
wird der serielle Regler 7, welcher an die Versorgungsspannung
VB3 angeschlossen ist, welche den größten Absolutwert besitzt, danach
streben, an seinem Ausgangsanschluss eine Ausgangsspannung an die SLIC 2 auszugeben,
welche einen niedrigeren Absolutwert besitzt als die Ausgangsspannungen
der anderen seriellen Regler 5 und 6, welche diese
anstreben auszugeben. Der serielle Regler 6, welcher an die
Versorgungsspannung VB2 angeschlossen ist, welche den nächstgrößten Absolutwert
besitzt, wird danach streben, an seinem Ausgangsanschluss eine Ausgangsspannung
an die SLIC 2 auszugeben, deren Absolutwert der nächstkleinste
der Ausgangsspannungen der anderen seriellen Regler 5 und 7 ist, welche
diese anstreben auszugeben. In einer entsprechenden Weise wird der
serielle Regler 5, welcher in der gezeigten Ausführungsform
an die Versorgungsspannung VBl angeschlossen ist, welche den niedrigsten
Absolutwert der Versorgungsspannungen VBl, VB2 und VB3 besitzt,
danach streben, an seinem Ausgangsanschluss eine Ausgangsspannung
an die SLIC 2 auszugeben, deren Absolutwert größer als
die Ausgangsspannungen der anderen seriellen Regler 6 und 7 ist,
welche diese anstreben auszugeben.
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In diesem Zusammenhang sollte festgestellt werden,
dass ein serieller Regler natürlich
an seinem Ausgangsanschluss keine Spannung ausgeben kann, welche
größer als
die Versorgungsspannung ist, welche an seinem Versorgungsspannungs-Verbindungsanschluss
angelegt ist.
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Wie aus den nachfolgenden Beispielen
offensichtlich werden wird, werden die Ausgangsverstärker der
SLIC 2 damit mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen
VB1, VB2 und VB3 mit Hilfe des Schaltgerätes 1 entsprechend
der Erfindung versorgt. Der Strom von der SLIC 2 in der
gezeigten Ausführungsform
wird automatisch zu der Versorgungsspannung fließen, welche den niedrigsten
adäquaten
Absolutwert besitzt. Hierdurch werden die Leistungsverluste in der
SLIC2 minimiert.
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Damit wird der Strom aus der SLIC 2 zwischen
dem seriellen Regler 5, 6 und 7 so kommutiert, dass
er für
jede Ausgangsspannung durch den seriellen Regler fließen wird,
welcher den niedrigsten Leistungsverlust liefert.
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Wie aus den nachfolgenden Beispielen
offensichtlich werden wird, gibt es, wenn von einem seriellen Regler
auf einen an deren übergegangen
wird, einen engen Spannungsbereich, bei welchem beide seriellen
Regler zur gleichen Zeit Strom führen
bzw. leitend sind. Dadurch wird eine kontinuierliche Übertragung
erhalten und folglich werden praktisch keine Störungen auftreten.
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Entsprechend der Erfindung kann die
Ausgangsspannung von dem Schaltgerät 1 an die SLIC 2 mit
Hilfe einer Anschlussdiode 17 an eine gewählte Spannung
VB4 angeschlossen werden, deren Absolutwert kleiner als die Versorgungsspannungen
VB1, VB2 und VB3 ist. Wenn der gewünschte Wert der Spannung über der
SLIC 2, d. h. die Referenzspannung VR3, kleiner als die
Spannung VB4 ist, wird der Strom aus der SLIC 2 durch die
Anschlussdiode 17 fließen,
und die Eingangsspannung für
die SLIC 2 wird an VB4 angeschlossen, d. h. ist gesperrt.
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In diesem Zusammenhang sollte darauf
hingewiesen werden, dass das Versorgungsspannungs-Schaltgerät entsprechend
der Erfindung in seiner einfachsten Form (nicht gezeigt) nur einen
seriellen Regler und eine Anschlussdiode aufweist. In diesem Fall
würden
nur zwei Versorgungsspannungen an der SLIC geschaltet werden.
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Die Funktion des Schaltgerätes 1 wird
nachfolgend detaillierter mit Bezug auf vier unterschiedliche Spannungsanforderungen
der SLIC 2 beschrieben.
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Wie oben wird angenommen, dass VB3
= –48V,
VB2 = –30V
und VB1 = –15V.
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Wie oben aufgeführt, ist der Absolutwert der Versorgungsspannung
VB4 niedriger als die Absolutwerte der Versorgungsspannungen VBl,
VB2 und VB3. In Anbetracht dessen nehme man an, dass VB4 = –10V.
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Wie auch aus obiger Aussage offensichtlich wird,
entspricht die Referenzspannung VR3 dem gewünschten Wert der Spannungs anforderung
bzw. dem Spannungsbedarf der SLIC 2, während die Referenzspannung
VR2 = VR3 – 0,5V
und VR1 = VR3 – 1,0V
in dieser Ausführungsform
ist.
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Beispiel 1). Man nehme
an, dass der Spannungsbedarf der SLIC 2 –8V beträgt, d. h.
VR3 = –8V.
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Folglich ist VR2 = –8,5V und
VR1 = –9V,
entsprechend obiger Aussage.
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Die Spannungen an den Ausgangsanschlüssen der
seriellen Regler 7, 6 und 5, d. h. an
den jeweiligen Kathoden der Dioden 10, 9 und 8,
werden deshalb jeweils –8V, –8,5V und –9V sein.
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Die Spannung an der Kathode der Anschlussdiode 17 ist
konstant VB4, d. h. –10V.
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In diesem Beispiel wird die Anschlussdiode 17,
deren Katode an der niedrigsten Spannung ist, zur gleichen Zeit
aufwärts
an Erde gelegt, wie alle Dioden 8, 9 und 10 umgekehrt
an Erde gelegt werden. Die Spannung am Verbindungspunkt zwischen
dem Schaltgerät 1,
der Anode der Anschlussdiode 17 und der SLIC 2 wird
dann –10V
sein, und der Strom wird folglich von der SLIC 2 durch
die aufwärts
an Erde gelegte Anschlussdiode 17 nach VB4 fließen. Damit wird
keiner der seriellen Regler 5, 6 und 7 irgendeinen
Strom führen.
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In diesem Beispiel wird die Spannung über der
SLIC 2 l0V betragen. Wenn weder das Schaltgerät 1 noch
die Anschlussdiode 17 vorhanden wären, wäre die Versorgungsspannung
an der SLIC 2 –48V, und
folglich würde
der Spannungsabfall über
der SLIC 2 48V betragen, was natürlich zu einem wesentlich höheren Leistungsverlust
in der SLIC 2 führen
würde.
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Beispiel 2). Man nehme
an, dass der Spannungsbedarf der SLIC 2 sich auf –12V ändert, d.
h. VR3 = –12V.
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Demzufolge ist VR2 = –12,5V und
VR1 = –13V
entsprechend obiger Aussage.
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Die Spannungen an den Ausgangsanschlüssen der
seriellen Regler 7, 6 und 5, d. h. an
den Kathoden der jeweiligen Dioden 10, 9 und 8,
werden deshalb jeweils –12V, –12,5V und –13V sein.
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Die Spannung an der Kathode der Anschlussdiode 17 ist
weiterhin konstant –10V.
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Die niedrigste Spannung wird nun
an die Kathode der Diode 8 angelegt, welche folglich aufwärts an Erdspannung
zur gleichen Zeit angelegt wird, wie alle Dioden 17, 9 und 10 zur
gleichen Zeit umgekehrt an Erdspannung angelegt werden. Die Spannung
am Verbindungspunkt zwischen dem Schaltgerät 1, der Anode der
Anschlussdiode 17 und der SLIC 2 wird deshalb –13V sein
und der Strom von der SLIC 2 wird folglich durch die Diode 8 nach
VBl fließen.
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Damit führt in diesem Fall ein einzelner
serieller Regler den Strom, nämlich
der Regler 5.
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Durch die geänderte Spannungsanforderung von –8V auf –12V wird
sich die Versorgungsspannungszuführung
damit von VB4 auf VB1 verschieben.
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In diesem Beispiel wird der Spannungsabfall über der
SLIC 2 bei 13V liegen, während der Spannungsabfall über dem
seriellen Regler 5 2V sein wird.
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Auch in diesem Fall wird der Strom
von der SLIC 2 zur Versorgungsspannung fließen, welche den
niedrigsten adäquaten
Absolutwert besitzt, nämlich
VBl = –15V.
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Beispiel 3). Man nehme
an, dass der Spannungsbedarf an der SLIC 2 –14,5V wird,
d. h. VR3 = –14,5V.
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Folglich ist VR2 = –15V und
VR1 = –15,5V.
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Die Spannungen an den Ausgangsanschlüssen der
seriellen Regler 7 und 6, d. h. an den Kathoden
der Dioden 10 und 9, werden deshalb jeweils –14,5V und –15V sein,
während
der serielle Regler 5, welcher anstrebt, –15,5V an
seinem Ausgangsanschluss auszugeben, nicht mehr als –15V ausgeben kann,
d. h. die Versorgungsspannung VB1. Damit wird die Versorgungsspannung
an der Kathode der Diode 8 –15V sein, d. h. die gleiche
wie an der Kathode der Diode 9.
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Die Spannung an der Kathode der Anschlussdiode 17 ist
noch konstant –10V.
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Die Kathoden der Dioden 8 und 9 sind
nun beide bei der niedrigsten Spannung, und folglich werden diese
Dioden aufwärts
an Erde gelegt, wie die Diode 17 und 10 zur gleichen
Zeit beide entgegengesetzt an Erde gelegt werden.
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Damit wird die Spannung am Verbindungspunkt
zwischen dem Schaltgerät 1,
der Anode der Anschlussdiode 17 und der SLIC 2 –15V sein.
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Folglich wird in diesem Fall der
Strom von der SLIC 2 zwischen den Dioden 8 und 9 geteilt
und wird sowohl zu VB1 als auch zu VB2 fließen.
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Damit werden die beiden seriellen
Regler 8 und 9 in diesem Beispiel Strom führen.
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Durch das Verändern der Spannungsanforderung
von –12V
auf –14,5V
wird sich die Spannungsversorgungszuführung von VB1 auf VBl + VB2 verschieben.
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Beispiel 4). Man nehme
an, dass der Spannungsbedarf der SLIC2 –35V beträgt, d. h. VR3 = –35V.
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Folglich wird VR2 = –35,5V und
VR1 = –36V.
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Die Spannung am Ausgangsanschluss
des seriellen Reglers 7, d. h. an der Kathode der Diode 10,
wird –35V
sein.
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Der serielle Regler 6 wird
danach streben, –35,5V
an seinem Ausgangsanschluss, d. h. an der Kathode der Diode 9,
auszugeben, er kann jedoch nicht mehr als –30V ausgeben, d. h. VB2, und
folglich wird die Spannung an der Kathode der Diode 9 –30V sein.
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Der serielle Regler 5 wird
danach streben, –36V
an seinem Ausgangsanschluss auszugeben, d. h. an der Kathode der
Diode 8, aber er kann nicht mehr als –15V ausgeben, d. h. VBl, und
folglich wird die Spannung an der Kathode der Diode 8 –15V sein.
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Die Spannung an der Kathode der Anschlussdiode 17 ist
noch konstant –10V.
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Damit wird in diesem Beispiel die
Diode 10, deren Kathode auf der niedrigsten Spannung ist,
zur gleichen Zeit aufwärts
an Erde gelegt als alle Dioden 17, 8 und 9 entgegengesetzt
an Erde gelegt werden. Die Spannung am Verbindungspunkt zwischen
dem Schaltgerät 1,
der Anode der Anschlussdiode 17 und der SLIC 2 wird
deshalb –35V
betragen, und der Strom von der SLIC 2 wird durch die Diode 10 nach VB3
fließen.
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Damit wird nur der serielle Regler 7 Strom von
der SLIC 2 führen.
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In diesem Beispiel ist der Spannungsabfall über der
SLIC 2 35V, während
der Spannungsabfall über
dem seriellen Regler 7 13V sein wird.
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Damit wird die Veränderung
des Spannungsbedarfs von –14,5V
auf –35V
dazu führen,
dass die Versorgungsspannungszuführung
sich von VBl + VB2 auf VB3 verschiebt.
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Wie aus den obigen Beispielen ersichtlich sein
sollte, wird der Leistungsverlust in der SLIC 2 beträchtlich
durch das Schaltgerät
entsprechend der Erfindung im Vergleich zu dem Fall reduziert, wenn eine
Versorgungsspannung von –48V
konstant an der SLIC 2 angelegt wird.
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Es sollte auch für einen Fachmann offensichtlich
sein, dass auch wenn das Gerät
entsprechend der Erfindung in Verbindung mit einer Last beschrieben
wurde, welche negative Versorgungsspannungen benötigt, es genauso gut für Lasten
funktionieren wird, welche positive Versorgungsspannungen benötigen, d.
h. die Ströme
fließen
zur Last. In diesen Fällen
wäre die
Referenzspannung VR3 natürlich
positiv, und die Referenzspannungen VR2 und VR1 würden jeweils
z. B. gleich VR3 + 0,5V und VR3 + 1,0V sein.