DE69805378T2 - Wandler, netzteil und batterieladegerät - Google Patents

Wandler, netzteil und batterieladegerät

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wandler mit einem Eingang und einem Lastausgang, wobei der Wandler ein schwingendes Transducermittel aufweist, das mit einem Transducereingang und einem Transducerausgang versehen ist, der mit dem Lastausgang gekoppelt ist, wobei eine Ausgangsgleichrichterschaltung mit dem Lastausgang gekoppelt ist, und ein steuerbares Transducersteuermittel, das zwischen dem Eingang des Wandlers und dem Transducereingang vorgesehen ist, wobei das Transducersteuermittel mit einem Steuereingang versehen ist, der mit dem schwingenden Transducermittel gekoppelt ist zum Eingeben eines Steuersignals, das ein Maß der Resonanzfrequenz des schwingenden Transducermittels enthält.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Netzteil und ein Batterieladegerät, das mit einem Wandler versehen ist.
  • Ein derartiger Wandler ist aus EP-A-0 099 596 bekannt. In DE-C-33 00 669 ist ein Wandler beschrieben, der in einem DC-Netzteil verwendet wird. Dieser bekannte Wandler umfasst ein schwingendes Transducermittel in Form eines schwingenden piezoelektrischen Transformators, dessen Eingangsimpedanz mit einem Transducersteuermittel in Form eines selbst schwingenden Impuleserzeugungsmittels verbunden ist das Impulse mit einem Impulsrate schafft, die der Schwingungsfrequenz des schwingenden Transducermittels entspricht. Eine Eingangswandler-AC- Spannung wird gleichgerichtet und stabilisiert und danach über das selbst schwingende einen Impuls schaffende Mittel dem schwingenden Transducermittel zugeführt. Der Transducerausgang des schwingenden Transducermittels ist mit der Ausgangsgleichrichterschaltung sowie mit einer die Spannung stabilisierenden Schaltungsanordnung verbunden zum Schaffen einer Hochleistungs-Ausgangsleistung an dem Lastausgang des Wandlers, der virtuell unabhängig ist von dem offenen oder kurzgeschlossenen Zustand der Last. Insbesondere schafft der bekannte Wandler eine abwechselnd betriebene parallele Anordnung zweier piezoelektrischer Wandlermittel zum Verbessern der Verfügbarkeit der Ausgangsleistung an Lastmitteln. Ein Nachteil dieses bekannten Wandlers ist, dass seine Flexibilität in Termen der Variabilität und Anordnung des Wandlers als Ganzes und der Ausgangsgleichrichterschaltung insbesondere begrenzt ist.
  • Deswegen ist es u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wandler zu schaffen, dessen Ausführungsform und Eigenschaften auf einfache Art und Weise an ein speziell erforderliches Gebiet von Applikationen angepasst werden kann.
  • Um dies zu erreichen weist der Wandler nach der vorliegenden Erfindung das Kennzeichen auf, dass die Ausgangsgleichrichterschaltung eine oder mehrere Stromverdopplerschaltungen aufweist, deren Steuerausgang mit dem Steuereingang des Wandlersteuermittels gekoppelt ist. Der Wandler nach der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass dadurch, dass steuerbare Wandlersteuermittel verwendet werden, die Stabilität und die statistische Streuung der Eigenschaften des Wandlers verbessert werden, weil sie nicht länger weitgehend abhängig sind von der Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Wandlermittels, wobei diese Eingangsimpedanz in der Praxis eine große statistische Streuung aufweist. Weiterhin wurde festgestellt, dass Abwandlungen, die in praktischen Applikationen des Wandlers nach der vorliegenden Erfindung wichtig sind, sich auf sehr einfache Art und Weise implementieren lassen. Insbesondere kann der Wandler nach der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl möglicher Ausführungsformen auf einfache Art und Weise geeignet gemacht werden zur Applikation beispielsweise in einem schnellen Batterieladegerät.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Wandlers nach der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 2 einen allgemeinen Entwurf des Wandlers nach Fig. 1, angewandt in einem Batterieladegerät eines Netzteils,
  • Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des Wandlers nach Fig. 1 und 2,
  • Fig. 4, 5, 6 und 7 mögliche Ausführungsformen einer Ausgangsgleichrichterschaltung zur Anwendung in dem Wandler nach den Fig. 1 und 2,
  • Fig. 8 zusammenhängende Diagramme von Spannungen und Spannungsverhältnisse für die Ausführungsform nach Fig. 6,
  • Fig. 9, 10 und 11 weitere mögliche Ausführungsformen relevanter Teile des Wandlers nach der vorliegenden Erfindung, und
  • Fig. 12 ein Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Transducers.
  • Fig. 1 zeigt einen Entwurf einer ersten Ausführungsform eines Wandlers 1. Der Wandler 1 hat einen Eingang 2 und einen Lastausgang 3. Der Wandler 1 umfasst eine Eingangsgleichrichterschaltung 4, mit der ein Spannungsstabilisierungskondensator 5 verbunden ist. Der Wandler 1 umfasst weiterhin ein schwingendes Transducermittel 6, das mit einem Transducereingang 7 und einem Transducerausgang 8 versehen ist, der mit Hilfe einer Ausgangsgleichrichterschaltung 9 mit dem Lastausgang 3 gekoppelt ist. Ein Transducersteuermittel 10 in dem Wandler 1 ist zwischen dem Eingang 2 des Wandlers und dem Transducereingang 7 gekoppelt. Das Transducersteuermittel 10 ist über einen Steuereingang 11, der mit einer Reihenschaltung aus Stromverdopplerschaltungen Q1 und Q2, die ebenfalls als Stromspiegel bezeichnet werden, steuerbar. Die Ausgangsgleichrichterschaltung 9 kann an einem Steuereingang/Ausgang 12 derselben ein Steuersignal liefern und umfasst eine Parallelschaltung von Stromverdopplerschaltungen Q3 und Q4. Die jeweiligen zu Q1, Q2, Q3 und Q4 parallel geschalteten Dioden erlauben nur, dass wesentliche Spannungen an diesen Dioden anliegen, wenn die Dioden nicht Strom leitend sind. Die Ausgangsgleichrichterschaltung 9 ist über ein Glättungsspulenpaar L1 und L2 mit einem Stabilisierungskondensator C0 verbunden, der mit dem Lastausgang des Wandlers 1 verbunden ist. Der Wandler umfasst eine LC-Schaltung Lr, Cr, die zwischen dem Transducersteuermittel 10 und dem schwingenden Transducermittel 6 gekoppelt ist.
  • Fig. 2 zeigt eine mögliche Schleifenkonfiguration in einem allgemeinen Entwurf des Wandlers 1, angewandt in einem Batterieladegerät, wobei eine Batterie 13 mit dem Ladeausgang 3 verbunden ist. Nebst dem Treiber 14 ist zwischen dem Steuerausgang 12 und dem Steuereingang 11 ein Schleifenfilter 15 verbunden. Eine Alternative zu der LC-Schaltung ist dargestellt, wobei ein zusätzlicher Kondensator parallel zu dem schwingenden Transducermittel verbunden ist.
  • Im Allgemeinen kann das schwingende Transducermittel als ein schwingendes Miniaturtransformatormittel 6 ausgebildet werden, wie ein durchaus bekannter Planartransformator, verwirklicht beispielsweise durch lithographische Musterbildung, auf einer Mehrschicht-Printplatte, ebenfalls bekannt als Schaltstromversorgung, aber es kann auch ein piezoelektrischer Transducer angewandt werden. Ein piezoelektrischer Transducer oder Piezokoppler wird in der oben genannten DE-C-33 00 669 verwendet. Der Vollständigkeit halber ist in Figur. 12 ein Ersatzschaltbild eines derartigen piezoelektrischen Wandlers dargestellt, der auf geeignete Art und Weise in jeder beliebigen hier beschriebenen Ausführungsform einverleibt werden kann.
  • Die Wirkungsweise des Wandlers 1 ist derart, dass nach Gleichrichtung und Stabilisierung eines AC-Signals am Eingang 2 der Steuereingang 11 derart gesteuert wird, dass in einem Schwingungsratenbereich meistens zwischen 50 kHz und 250 kHz dem schwingenden Transducermittel 6 ein hauptsächlich impulsförmiges Signal zugeführt wird und dass das impulsförmige Signal an dem Transducerausgang 8 wieder durch die aktive Ausgangsgleichrichterschaltung 9 gleichgerichtet und danach DC-stabilisiert und der Last zugeführt wird, die jede beliebige Anordnung sein kann, die imstande ist die gelieferte Ausgangsleistung zu empfangen, wie einem Kondensator oder einer Batterie 13. Da der Wandler 1 imstande ist große Mengen an Strom auszuliefern, könnte die Last ebenfalls als Hochleistungslast oder als Hochstromlast ausgebildet sein, wie ein Hochleistungskondensator oder eine Speisebatterie. In einer derartigen Applikation des Wandlers 1 könnten Sicherheitsmittel auf ein Minimum beschränkt werden, während das von dem genannten Wandler beaufschlagte Volumen ebenfalls auf ein Minimum beschränkt ist.
  • Fig. 3 zeigt ein ziemlich detailliertes Verbindungsschema, in dem das Steuersignal am Eingang 11 mit Hilfe einer darin vorhandenen zusätzlichen Transducerkopplung 14 von dem schwingenden Transducermittel 6 hergeleitet wird. Nachdem Operationsverstärker OP1 und OP2 eine gewisse Schwellenbegrenzung durchgeführt haben, nach einer Optokopplung in dem Optokoppler 15 zur optimalen Isolierung zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3, nach Integration in dem Integrator 16 und nach Manipulation in dem Block 17 wird dem Steuereingang 11 ein Steuersignal 6 zugeführt zur Steuerung der Rate, damit diese der Resonanzfrequenz des Transducermittels 6 entspricht.
  • Abhängig beispielsweise von den Anforderungen, die durch den Typ der Last 13 gestellt werden, lassen sich mehrere Ausführungsformen der Ausgangsgleichrichterschaltung 9 verwirklichen. Die Fig. 4, 5, 6 und 7 sowie die Fig. 9, 10 und 11 zeigen Beispiele davon.
  • Die Ausführungsform nach Fig. 4 zeigt eine selbstbetriebene Stromverdopplerschaltung aus Q1 und Q2. In diesem Beispiel ist der Eingang/Ausgang 12 kreuzweise mit dem Transducerausgang 8 verbunden, der selbst angetrieben werden soll. Auch hier sperren entweder Q1 oder Q2 die HF-Impulse zu den Glättungsspulen L1 und L2.
  • Eine andere Ausführungsform der Ausgangsgleichrichterschaltung 9, wobei das schwingende Transducermittel 6 einen zentralen Shunt oder Abgriff 19 hat, ist in Fig. 5 dargestellt. Der zentrale Shunt 18 ist mit nur einer Spule Lo verbunden.
  • Die Schaltungsanordnung 9 funktioniert nun als synchroner selbst betriebener Zweiweggleichrichter.
  • Synchrone selbst betriebene Einweggleichrichter sind in den Fig. 6 und 7 ebenfalls dargestellt. Die Ausführungsform nach Fig. 6 braucht keinen zentralen Shunt, während in der Ausführungsform nach Fig. 7 zwei einzelne schwingende Transducer 6-1 und 6-2 verwendet werden. Die Spannungen in Fig. 6, bezeichnet als Vi, Vp, Vs, Vr, Uo und Udc (siehe Fig. 3) sind ebenfalls in Fig. 8 zur Erläuterung beispielsweise der Funktion dieser Ausführungsform der Schaltungsanordnung 9 dargestellt. Wenn nun vorausgesetzt wird, dass np : ns das Transducer-Transformationsverhältnis ist und dass δ = Th : T ist, dann sind die berechneten Werte der oberen und unteren Spitzenwerte der angegebenen Spannungen wie in Fig. 8 angegeben. Für δ ¹/&sub2; erreicht die DC-Lastspannung Uo den maximalen Wert von (ns/4*np) Udc.
  • Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform, die eine sehr geringe Anzahl einzelner Elemente umfasst, die eine sehr effiziente Spannungstransformation in Miniatur- Planartechnologie verwirklichen, sie oben beschrieben, wobei das Transformationsverhältnis 4 : 1 ist.
  • Noch andere selbst betriebene Ausführungsformen, insbesondere der Ausgangsgleichrichterschaltung 9, sind in den Fig. 10 und 11 als Entwurf dargestellt. Zwecks eine genauen Steuerung des Eingang/Ausgangs 12 der Gleichrichterschaltung 9 sind diese schwingenden Transducermittel 6 mit je einer zusätzlichen Transducerkopplung 14 mit einem zentralen Abgriff 18 oder mit einzelnen zusätzlichen Kopplungen 14-1 und 14-2 zur Selbstbetreibung der aktiven Gleichrichterschaltungen 9 versehen, und zwar auf eine Art und Weise, wie oben beschrieben.

Claims (11)

1. Wandler (1) mit einem Eingang (2) und einem Lastausgang (3), wobei der Wandler (1) ein schwingendes Transducermittel (6) aufweist, das mit einem Transducereingang (7) und einem Transducerausgang (8) versehen ist, der mit dem Lastausgang (3) gekoppelt ist, wobei eine Ausgangsgleichrichterschaltung (9) mit dem Lastausgang (3) gekoppelt ist, und ein steuerbares Transducersteuermittel (10), das zwischen dem Eingang (2) des Wandlers (1) und dem Transducereingang (7) vorgesehen ist, wobei das Transducersteuermittel (10) mit einem Steuereingang (11) versehen ist, der mit dem schwingenden Transducermittel (6) gekoppelt ist zum Eingeben eines Steuersignals, das ein Maß der Resonanzfrequenz des schwingenden Transducermittels (6) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgleichrichterschaltung (9) eine oder mehrere Stromverdopplerschaltungen (Q3, Q4) aufweist, deren Steuerausgang (12) mit dem Steuereingang (11) des Transducersteuermittels (10) gekoppelt ist.
2. Wandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (1) einen LC-Kreis (Lr, Cr) aufweist, der zwischen dem Transducersteuermittel (10) und dem schwingenden Transducermittel (6) vorgesehen ist.
3. Wandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingende Transducermittel (6) als schwingendes Miniatur-Transformationsmittel ausgebildet ist.
4. Wandler (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingende Transducermittel (6) ein planares schwingendes Transducermittel ist.
5. Wandler (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingende Transducermittel (6) ein piezoelektrisches schwingendes Transducermittel ist.
6. Wandler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (1) ein Schleifenfilter (15) aufweist, das zwischen dem Steuerausgang (12) der Ausgangsgleichrichterschaltung (9) und dem Steuereingang (11) des Transducermittels (10) vorgesehen ist.
7. Wandler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Stromverdoppler (Q3, Q4) als selbst betriebener Stromverdoppler ausgebildet ist.
8. Wandler (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgleichrichterschaltung (9) als synchroner Gleichrichter ausgebildet ist.
9. Wandler (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der synchrone Gleichrichter ein Einweg- oder ein Zweiweggleichrichter ist.
10. Netzteil mit einem Wandler (1) nach Anspruch 1.
11. Batterieladegerät mit einem Wandler (1) nach Anspruch 1.
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