WO2014044551A1

WO2014044551A1 - Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung einer last

Info

Publication number: WO2014044551A1
Application number: PCT/EP2013/068452
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Eue; Philip Fosu OKYERE
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2014-03-27
Also published as: DE102012217118A1; EP2875574A1

Abstract

Zur Ansteuerung einer Last (2), insbesondere zur Ansteuerung von Signalleuchten einer Signalanlage für Schienenfahrzeuge, mittels eines getakteten Spannungswandlers mit zwei eingangsseitig parallel geschalteten und vorzugsweise als Tiefsetzsteller arbeitenden Wandlermodulen (M1, M2), werden diese mittels pulsmodulierten (PWM und/oder PPM) Signalen (S1, S2) derart angesteuert, dass die ausgangsseitig zwischen die Wandlermodulen (Ml, M2) geschaltete Last (2) mit zwei gegeneinander um eine halbe Periode versetzten Spannungshalbwellen (Vol (t), Vo2 (t) ) unter Bildung einer Wechselspannung versorgt wird.

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Last Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Last, insbesondere zur Ansteuerung von Signalleuchten einer Signalanlage, vorzugsweise für Schienenfahrzeuge . Aus der DE 103 53 037 AI ist ein getakteter Spannungswandler zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors bekannt, wie dieser in Kraftstoffinj ektoren moderner Brennkraftmaschinen Verwendung findet. Mittels des getakteten Spannungswandlers wird eine Gleichspannung mit Halbleiterschaltern in eine pul- sierende Gleichspannung gewandelt, die mittels eines Energie^¬ speichers, beispielsweise eines Kondensators, in eine kleine^¬ re oder größere Spannung umgeformt werden kann. Zur Steuerung oder Regelung der Ausgangsspannung wird das Verfahren der Pulsbreitenmodulation verwendet, indem die Eingangsspannung periodisch unterbrochen und mit variabler Pulsbreite wieder eingeschaltet wird.

Mittels derartiger getakteter Spannungswandler können universelle Schnittstellenbaugruppen für mehrere gleichartige Las- ten konstruiert werden. Solche Schnittstellenbaugruppen können auch in der Signaltechnik, insbesondere für Schienenfahrzeuge (Eisenbahnsignaltechnik) , zur Ansteuerung von Signalleuchten eingesetzt werden. Dabei können aufgrund der Universalität derartiger Spannungswandler in einfacher Art und Wei- se die Anforderungen zur Anpassung an verschiedene Anschluss^¬ leiterwiderstände sowie einen synchronen Blinkbetrieb und ei^¬ ne Tag-Nacht-Umschaltung realisiert werden.

Ein getakteter Spannungswandler kann jedoch nicht in einfa- eher Art und Weise eingesetzt werden, wenn eine Last in Form insbesondere derartiger Signalleuchten einer Signalanlage für Schienenfahrzeuge mit einer Wechselspannung und einer Fre^¬ quenz von z. B. 50 Hz oder 60 Hz betrieben werden soll. Zwar können für diese Anwendungen spezielle, bipolare Spannungs^¬ wandler eingesetzt werden. Diese sind jedoch sehr kostenintensiv. Auch die Erzeugung von mit Wechselspannung überlagerter Gleichspannung und der Anschluss einer Last über einen entsprechend großen Koppelkondensator sind energetisch nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders ge^¬ eignetes Verfahren und eine besonders geeignete Vorrichtung zur Ansteuerung einer Last, insbesondere zur Ansteuerung von Signalleuchten einer Signalanlage für Schienenfahrzeuge, an^¬ zugeben .

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß ge- löst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiter^¬ bildungen sind Gegenstand der darauf rückbezogenen Unteransprüche .

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung einer Last sieht einen getakteten Spannungswandler mit zwei vorzugsweise gleichartigen oder identischen und als Tiefsetzsteller arbeiten Wandlermodulen vor. Diese werden mittels pulsmodulierten Steuersignalen derart angesteuert, dass die ausgangsseitige Last mit zwei gegeneinander um eine halbe Periode versetzten Spannungshalbwellen unter Bildung einer Wechselspannung versorgt wird. Der Begriff Ansteuerung bedeutet hierbei insbe^¬ sondere auch die Erzeugung einer Versorgungsspannung für die Last. Unter pulsmodulierten Steuersignalen werden pulsweiten- modulierte (PWM) und/oder puls-pausen-modulierte (PPM) Steu- ersignale verstanden.

Insbesondere für die Anwendung in der Signaltechnik mit einer Anzahl von Signalleuchten als Last wird mittels der beiden gleichartigen Wandlermodule eine sinusförmige Ausgangsspan- nung erzeugt. Denkbar jedoch ist auch die Erzeugung von anderen Spannungsformen, wie zum Beispiel Dreieckspannungen oder Trapezspannungen sowie eine Gleichspannung mit überlagerter WechselSpannung . Geeigneterweise wird während der Erzeugung der Spannungshalb^¬ wellen mittels jeweils eines der beiden Wandlermodule der ausgangsseitige Laststromkreis über das jeweils andere Wand- lermodul geschlossen. Hierzu wird das jeweilige Wandlermodul ausgangsseitig zweckmäßigerweise über einen Pfad kurzge^¬ schlossen. In diesen Pfad ist beispielsweise ein steuerbarer Halbleiterschalter, insbesondere ein MOSFET, geschaltet bzw. ist dieser Pfad durch den Halbleiterschalter gebildet. Diese Variante geeignet sich insbesondere im Fall einer diskreten Diode in einem bereits vorhandenen Freilaufpfad .

Gemäß einer bevorzugten Variante werden jedoch Wandlermodule mit gesteuerter Freilaufdiode in Form eines sogenannten Syn- chron-MOSFET im Freilaufpfad eingesetzt. Der Synchron-MOSFET übernimmt dann auch die Funktion des Kurzschließens des je^¬ weiligen Wandlermodulausgangs, wobei keine diskrete Diode er^¬ forderlich ist. Aus den von den Wandlermodulen erzeugten, zu deren Rücklei- tern (Minus- oder Null-Volt-Pfad) jeweils positiven Span^¬ nungshalbwellen wird vorzugsweise eine Lastspannung mit periodisch positiven und negativen Halbwellen gebildet. Besonders bevorzugt erzeugen die beiden Wandlermodule ausgangsseitig jeweils eine pulsierende Gleichspannung mit um eine halbe Pe^¬ riode versetzten positiven Spannungshalbwellen, aus denen lastseitig eine sinusförmige Ausgangswechselspannung gebildet wird . Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte Aus^¬ gestaltungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche . Die Vorrichtung dient zur Ansteuerung und dabei insbesondere zur Spannungsversorgung einer Last und umfasst einen getakteten Spannungswandler mit zwei eingangsseitig parallel ge^¬ schalteten Wandlermodulen. Diese arbeiten vorzugsweise als Tiefsetzsteller. Eine Steuer- oder Regeleinrichtung dient zur Ansteuerung der Wandlermodule derart, dass diese ausgangssei^¬ tig zwei gegeneinander um eine halbe Periode versetzte Span^¬ nungshalbwellen - als sinusförmige Wechselspannung - erzeu- gen .

Die beiden vorzugsweise identisch aufgebauten Wandlermodule weisen einen positiven Strompfad (Pluspfad) mit einer Reihenschaltung aus einem steuerbaren Halbleiterschalter, insbeson- dere einem MOSFET, und einer Induktivität sowie einen Bezugs^¬ pfad (Minuspfad oder Null-Volt-Pfad) auf. An den positiven Strompfad und an den Bezugspfad ist eingangsseitig eine

Gleichspannung mit dem Pluspol am positiven Strompfad und dem Minuspol oder Null-Volt-Potential an den Bezugspfad gelegt. Die Last ist ausgangsseitig zwischen die beiden positiven Strompfade der Wandlermodule und somit ausgangsseitig zwi^¬ schen diese geschaltet. Mit anderen Worten ist die Last somit nicht gegen einen der Bezugspfade (Rückleiter) , sondern zwischen die beiden Pluspfad-Ausgänge der Wandlermodule geschal- tet. Der Laststromkreis wird geschlossen, indem dasjenige

Wandlermodul, das gerade keine Ausgangsspannung erzeugt, sei^¬ nen Modulausgang kurzschließt, um Strom aufzunehmen.

Die nachfolgend als Regelung bezeichnete Steuer- oder Re- geleinrichtung ist zweckmäßigerweise beiden Wandlermodulen gemeinsam und derart betrieben, dass die beiden Wandlermodule abwechselnd positive Halbwellen der gewünschten Frequenz, beispielsweise 50Hz, ausgeben. Hierzu werden die Wandlermodu^¬ le derart angesteuert, dass dasjenige Wandlermodul, das gera- de keine Spannungshalbwellen erzeugt, über einen zwischen den positiven Strompfad und den Bezugspfad geschalteten steuerba^¬ ren Halbleiterschalter, insbesondere MOSFET, oder einen Syn- chron-MOSFET im Freilaufpfad kurzgeschlossen wird und somit den Laststromkreis schließt. Anhängig vom jeweils kurzge- schlossenen Wandlermodul ist die Stromrichtung entgegenge^¬ richtet, so dass aus Sicht der Last durch Differenzbildung zwischen den beiden um eine halbe Periode versetzten pulsie- renden Gleichspannungen der Wandlermodule eine sinusförmige Ausgangsspannung bereitgestellt ist.

Zur Formung der (positiven) Spannungshalbwellen sowie den da- zwischen liegenden Pausen in der zweiten halben Periode ist eine Sollwertvorgabe vorgesehen. Hierzu ist beispielsweise eine Tabelle mit vorgegebenen Sollwerten zur zeitabhängigen Formung der Spannungshalbwellen hinterlegt. Die Regelung steuert anhand eines Vergleichs der ausgangsseitig erfassten Spannungswerte (Istwerte) der Wandlermodule mit den zeitab^¬ hängig vorgegebenen Sollwerten die Wandlermodule derart, dass diese ausgangsseitig die gewünschten pulsierenden Gleichspannungen liefern. Mittels der Regelung können vorteilhafterweise auch die Aus^¬ gangsspannungen der Wandlermodule bzw. die Ausgangsspannung des getakteten Spannungswandlers zur Ansteuerung lastseitiger Signalleuchten für eine Tag-Nacht-Umschaltung und für einen synchronen Blinkbetrieb sowie zum Ausgleich von Anschlusslei- tungswiderständen eingestellt werden. Im Falle der Tag-Nacht- Umschaltung mit unterschiedlichen Helligkeiten oder Helligkeitsgraden der Signalleuchten für den Tagbetrieb und für den Nachtbetrieb wird die Ausgangsspannung des getakteten Spannungswandlers insgesamt verringert, um die Helligkeit der Signalleuchten während der Nacht zu reduzieren. Hinsichtlich des Blinkbetriebs können durch gezielte Ansteuerung der Wand^¬ lermodule verschiedene Blinkgeschwindigkeiten der Signal^¬ leuchten, insbesondere auch synchron, eingestellt werden. Zum Ausgleich von Anschlussleitungswiderständen kann die Ausgangsspannung gezielt erhöht werden, so dass an der Last die notwendige Spannung zur Verfügung steht. Beispielsweise durch Hinterlegung einer entsprechend umfangreichen Tabelle mit vorgegebenen Sollwerten zur zeitabhängigen Signal- oder Span- nungsverlaufsformung können beispielsweise eine gewünschte oder geforderte Nachtspannung, ein spezielles Blinken, eine Ausgangsspannungserhöhung und eine 50Hz-Sinus-Spannung gleichzeitig bereitgestellt werden. In den nachfolgend allgemein als Freilaufpfad bezeichneten Strompfad zwischen dem Plus- und Minuspfad jedes der beiden Wandlermodule ist vorzugsweise eine mittels der Steuer- oder Regeleinrichtung (Regelung) gesteuerte Freilaufdiode geschal^¬ tet. Um die Verlustleistung möglich gering zu halten, ist als gesteuerte Freilaufdiode ein Synchron-MOSFET im Freilaufpfad beider Wandlermodule eingesetzt, der sich durch einen sehr niedrigen Widerstand im Einschaltzustand auszeichnet. Mittels der gesteuerten Freilaufdiode bzw. dem Synchron-MOSEFT arbeiten die beiden Wandlermodule als Tiefsetzsteller mit Synchrongleichrichtung (Synchronwandler) , die üblicherweise zur Erzeugung von Gleichspannungen eingesetzt werden. Die Steuer- oder Regeleinrichtung (Regelung) erzeugt für die Halbleiterschalter der beiden Wandlermodule anhand des Soll- Ist-Vergleiches ein pulsweitenmoduliertes (PWM) und/oder puls-pausen-moduliertes (PPM) Steuersignal mit einem für die Ausformung der pulsierenden Gleichspannungen bzw. Spannungs- halbwellen geeigneten Tastgraden (duty cycle) . Anhand des

Tastgrades kann auch die Nacht-Helligkeit bzw. die Blinkge^¬ schwindigkeit der oder jeder lastseitigen Signalleuchte einer Signalanlage für Schienenfahrzeuge vorteilhaft und in einfa^¬ cher Art und Weise eingestellt werden. Die Blinkgeschwindig- keit wird dabei durch zeitgesteuertes Aussetzten (Nichtdurch- führen) des Einschaltens der Halbleiterschalter der beiden Wandlermodule erzeugt.

In einer derartigen Signalanlage ist üblicherweise lediglich eine Leitung vorgesehen, da stets alle Leuchten gleichzeitig für die Nacht abgedunkelt werden. Zudem gibt es lediglich ei^¬ ne Leitung für einen gegebenenfalls angeforderten Blinkbetrieb, da ein synchrones Blinken aller blinkenden Leuchten gefordert ist. Sind verschiedene Anschlussleitungswiderstände zu den Signalleuchten vorhanden und müssen diese Widerstände durch unterschiedlich erhöhte Ausgangsspannungen des getakteten Spannungswandlers ausgeglichen werden, so sind für jeden Wandler eine entsprechende Anzahl von Auswahlleitungen zur Auswahl der Erhöhung der Ausgangsspannung erforderlich. Zu den Auswahlleitungen gehören auch Aktivierungsleitungen, die die jeweils aktuell notwendige Ausleuchtung bzw. aktuell not^¬ wendige Zustände anfordern, beispielsweise An (ON) , Aus (OFF) oder Blinkbetrieb mit 50% ON oder mit 33% ON. Anstelle mehre^¬ rer Auswahl- und Aktivierungsleitungen können auch Datenverbindungen serieller Art, Netzwerkverbindungen oder ein serielles Bussystem, beispielsweise der Universal Serial Bus (USB) eingesetzt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung werden zur Ansteuerung einer Last, insbesondere zur Ansteuerung von Signalleuchten einer Signalanlage für Schienenfahrzeuge, ein getakteter Spannungswandler mit zwei eingangsseitig pa- rallel geschalteten Wandlermodulen oder zwei gleichartige getaktete Spannungswandler eingesetzt und diese mittels puls^¬ weiten- und/oder puls-pausen-geregelter Signale derart angesteuert, dass die ausgangsseitig zwischen die Pluspfade der beiden Wandler geschaltete Last mit zwei gegeneinander um ei- ne halbe Periode versetzten Spannungshalbwellen - und hierbei vorzugsweise mit einer sinusförmigen Last- oder Ausgangsspannung - versorgt wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 schematisch in einem Schalt- und Blockschaltbild einen getakteten Spannungswandler mit zwei gleichartigen Wandlermodulen sowie einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Ansteuerung der Wandlermodule,

FIG 2 den getakteten Spannungswandler gemäß FIG 1, dessen erstes Wandlermodul eine sinusförmige Gleichspan^¬ nungshalbwelle erzeugt, während das zweite Wandler^¬ modul kurzgeschlossen ist,

FIG 3 in einer Darstellung gemäß FIG 2 den getakteten

Spannungswandler, dessen zweites Wandlermodul eine sinusförmige Gleichspannungshalbwelle erzeugt, wäh^¬ rend das erste Wandlermodul kurzgeschlossen ist, FIG 4 die von den beiden Wandlermodulen erzeugten gepulsten Gleichspannungen mit um eine halbe Periode versetzten Spannungshalbwellen sowie die daraus durch Differenzbildung generierte sinusförmige Last- oder

Ausgangsspannung, und

FIG 5 eine Variante des getakteten Spannungswandlers mit einer diskreten Diode im Freilaufpfad und zusätzlichen ausgangsseitig einem steuerbaren Halbleiter-

Schalter .

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

FIG 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur Ansteuerung einer Last 2 in Form vorzugsweise einer oder mehrerer Signalleuchten, mit einem zwei gleichartige Wandlermodule Ml und M2 aufweisenden getakteten Spannungswandler sowie einer nachfolgend als Regelung bezeichneten Steuer- und/oder Regeleinrichtung 3. Unter gleichartigen Wandlermodulen Ml und M2 werden zwei aus gleichen, möglichst identischen elektronischen Bauelementen aufgebaute getaktete Spannungswandler verstanden.

Die beiden Wandlermodule Ml und M2 sind eingangsseitig para^¬ llel geschaltet, während die Last 2 ausgangsseitig an die je- weiligen Pluspfade (positiven Strompfade) PI und P2 der bei^¬ den Wandlermodule Ml bzw. M2 angeschlossen ist. Die beiden Pluspfade PI und P2 sind an den mit U_E bezeichneten Pluspol einer Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle angeschlossen, während die Minus- oder Bezugspfade Bl und B2 der beiden Wandlermodule Ml bzw. M2 an das Bezugspotential (0V) der

Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.

Das nachfolgend als erstes Wandlermodul bezeichnete Wand^¬ lermodul Ml weist im Pluspfad PI eine Reihenschaltung aus ei- nem Halbleiterschalter TIA in Form eines MOSFET und einer

Spule (Induktivität) LI sowie einen Freilaufpfad Fl zwischen dem Pluspfad PI und dem Bezugspfad Bl mit einem weiteren Halbleiterschalter T1B in Form wiederum eines Synchrongleich- richter-MOSFET auf. Der Freilaufpfad Fl bzw. der dortige Halbleiterschalter TIB setzt an der Verbindung zwischen dem Halbleiterschalter TIA und der Spule LI an. Der Synchronoder Synchrongleichrichter-MOSFET TIB des Freilaufpfades Fl weist einen sehr geringen ohmschen Widerstand im eingeschal^¬ teten Zustand auf. Ausgangsseitig ist zwischen den Pluspfad PI und den Bezugspfad Bl ein Kondensator Cl geschaltet. Die beiden Halbleiterschalter TIA und TIB werden von der Regelung 3 über einen mit deren Steuereingängen (Gate) verbundenen Ga- te-Treiber Gl angesteuert.

Das nachfolgend als zweites Wandlermodul bezeichnete Wandler^¬ modul M2 ist analog zum ersten Wandlermodul Ml aufgebaut und umfasst im Pluspfad P2 eine Reihenschaltung aus einem Halb- leiterschalter T2A in Form eines MOSFET und einer Spule (Induktivität) L2 sowie einen Freilaufpfad F2 zwischen dem Plus^¬ pfad P2 - wiederum an der Verbindung zwischen dem Halbleiterschalter T2A und der Spule L2 ansetzend - und dem Bezugspfad B2 mit einem weiteren Halbleiterschalter T2B in Form wiederum eines Synchrongleichrichter-MOSFET. Ausgangsseitig ist zwischen den Pluspfad P2 und den Bezugspfad B2 ein Kondensator C2 geschaltet. Die beiden Halbleiterschalter T2A und T2B werden ebenfalls über einen mit deren Steuereingängen (Gate) verbundenen Gate-Treiber G2 von der Regelung 3 angesteuert.

Den Gate-Treibern Gl und G2 der beiden Wandlermodule Ml, M2 werden pulsweitenmodulierte Steuersignale (PWM-Signal) Sl bzw. S2 zugeführt, die von der Regelung 3 erzeugt werden. Hierzu umfasst diese paarweise gleichartig aufgebaute Regel- stränge oder -zweige mit dem jeweiligen Wandlermodul Ml, M2 zugeordneten Vergleicherbausteinen V_SI1 bzw. V_SI2. Diesen wird der jeweilige aktuelle, ausgangsseitige Spannungswert der beiden Wandlermodule Ml, M2 als Istwert Vli, V2i sowie ein zugehöriger Sollwert Vis bzw. V2s zugeführt. Anhand des Soll- Ist-Vergleiches wird mittels eines Bausteins PWM1, PWM2 das

PWM-Steuersignal Sl bzw. S2 mit entsprechendem Tastgrad (duty cycle) generiert. Der jeweilige Sollwert Vis, V2s wird von einer Sollwertvorga^¬ be SV1, SV2 bereitgestellt, die eine Gruppe von Sollwerter^¬ zeugern aufweist sowie mindestens die AC-Bausteine ACn ent^¬ hält, und in der die zeitabhängigen Spannungswerte der Aus- gangsspannungen der Wandlermodule Ml bzw. M2 beispielsweise tabellarisch hinterlegt sind. Zur Abgabe einer Wechselspannung an die Last 2 ist nur der AC-Baustein AC1, AC2 als Sollwerterzeuger von Belang. Um eine universelle Einsetzbarkeit dieser Module im Bereich der Eisenbahnsignaltechnik zu erzielen, sind weitere Sollwerterzeuger, nämlich ein Blinksynchronisationsbausteins BL1, BL2, ein Tag-Nacht-Bausteins TN1, TN2, ein Leitungsanpas- sungsbaustein LA1, LA2 und ein DC-Baustein DC1, DC2 in der Sollwertvorgabe SV1 bzw. SV2 vorgesehen.

Anhand der vorgegebenen zeitabhängigen Sollwert Vis, V2s wird die Last- oder Ausgangsspannung Vol (t) und Vo2 (t) der Wandlermodule Ml, M2 durch geregeltes Ein- und Ausschalten deren Halbleiterschalter TIA bzw. T2A eingestellt. Innerhalb der Periodendauer t_p schaltet der jeweilige Halbleiterschalter TIA, T2A nur für die Einschaltdauer t_e, so dass für die Aus^¬ schaltdauer t_a die Beziehung d = t_e/t_p = t_e/ (t_e + t_a) gilt, wo^¬ bei d der Tastgrad (duty cycle) ist.

In der Literatur wird die Regelung der Ausgangsspannung eines derartigen Wandlermoduls oftmals als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet. Sprachlich eng ausgelegt bedeutet dies, dass die Einschaltdauer t_e auf Kosten der Ausschaltdauer t_a vergrößert oder verkleinert wird. Ebenso ist es möglich und technisch zweckmäßig, in bestimmten Ausgangsspannungsberei^¬ chen zusätzlich oder alternativ die Einschaltdauer t_e unverändert zu belassen und die Ausschaltdauer t_a (Pausendauer) und damit die Periodendauer t_p zu vergrößern und zu verklei- nern. Die vorliegende Regelung kann somit eine Pulsweitenmodulation (PWM) , eine Puls-Pausen-Modulation (PPM) oder eine Mischform von PWM und PPM sein. Während der Einschaltdauer t_e ist der Halbleiterschalter T1B, T2B des jeweils aktiven und die positiven Spannungshalbwellen bzw. die pulsierende Gleichspannung Vol (t) , Vo2 (t) erzeugen^¬ den Wandlermoduls Ml bzw. M2 gesperrt und der Strom fließt über die Last 2, während der Spulenstrom in der Spule LI, L2 ansteigt. Mit größer werdender Einschaltzeit t_e steigt die Ausgangsspannung Vol (t) , Vo2 (t) an. Während der AusschaltZei^¬ ten t_a fließt einerseits vom Kondensator Cl, C2 durch dessen Entladung und andererseits durch den Freilaufpfad Fl, F2 - ermöglicht durch den Abbau des magnetischen Feldes in der Spule (Induktivität) LI, L2 - der Laststrom I_L weiter.

Mittels der Halbleiterschalter T1B, T2B im jeweiligen Freilaufpfad Fl, F2 anstelle einer Diode werden die als Tiefsetz- steller arbeitenden Wandlermodule Ml, M2 zu Synchrongleichrichterwandlern, deren Halbleiterschalter T1B bzw. T2B von der Regelung 3 sowie den Gate-Treibern Gl, G2 synchron, jedoch gegenphasig zu den Halbleiterschaltern TIA, T2A im jeweiligen Pluspfad (positiven Strompfad) PI, P2 angesteuert werden.

Sobald beispielsweise der Halbleiterschalter TIA dessen Einschaltphase beendet hat, wird der Halbleiterschalter T1B des Wandlermoduls Ml aktiviert, um einen verlustleistungsarmen Freilaufpfad für die Spule (Induktivität) LI zu bilden. So^¬ bald das magnetische Feld in der Spule LI abgebaut ist, wird der Halbleiterschalter (Synchrongleichrichter) T1B erneut gesperrt. Die gegenphasige Ansteuerung der Halbleiterschalter TIA und T1B bzw. T2A und T2B erfolgt üblicherweise mit einer Frequenz von mehreren kHz, damit die vorgegebenen Sollwerte zur zeitabhängigen Formung der Spannungshalbwelle zu einer entsprechend feinstufigen Ausformung der Ausgangsspannung führen . Die erfindungsgemäßen Soll-Ist-Vergleicherbausteine V_SI1, V_SI2 sind nicht darauf beschränkt, in Phasen einer Soll-Ausgangs^¬ spannung mit 0V vergleichsweise passiv die Abgabe von Akti^¬ vierungssignalen an die Halbleiterschalter TIA, T2A im Plus- pfad zu unterdrücken. Eine Ausgangsspannung von OV wird vielmehr aktiv durch Kurzschluss, vorzugsweise durch Einschalten der Halbleiterschalter (Synchrongleichrichter) T1B, T2B erzwungen .

Anstelle der Ausführungsform gemäß FIG 1 mit Synchrongleichrichter-Halbleiterschaltern T1B, T2B - und somit der bevorzugten Synchrongleichrichterwandler-Technik - kann gemäß FIG 5 zu diesem Zweck jeweils ein Halbleiterschalter T1B T2B ^λ zwischen den Pluspfad (positiver Strompfad) PI, P2 und den Minus- oder Bezugspfad Bl, B2 zusätzlich zu einer diskreten Diode Dl, D2 im Freilaufpfad Fl bzw. F2 hinzugefügt werden.

Die FIG 2 und 3 zeigen die Vorrichtung 1 ohne Regelung 3 und mit den Wandlermodulen Ml und M2 in unterschiedlichen Schaltzuständen. So zeigt FIG 2 den über das zweite Wandlermodul M2 geschlossenen und mit I _L<₊> bezeichneten Laststromkreis, wäh^¬ rend das erste Wandlermodul Ml die in FIG 4 links oben ge^¬ zeigten sinusförmigen, pulsierenden Halbwellen Vol (t) er- zeugt. Hierzu sind die Halbleiterschalter TIA und T1B des Wandlermoduls Ml über den Gate-Treiber Gl mittels des PWM- Steuersignals Sl derart angesteuert, dass mit der geregelten Änderung des Tastgrades (duty cycle) die vorgegebenen Soll^¬ werte zur zeitabhängigen Formung der Spannungshalbwelle zu einer entsprechenden Ausformung der Ausgangsspannung an der

Last 2 führen. Während der Abgabe jeder einzelnen sinusförmigen Gleichspannungshalbwelle durch das erste Wandlermodul Ml ist der Freilaufpfad F2 des zweiten Wandlermoduls M2 ununter^¬ brochen durchgeschaltet, so dass sich der mit I _L<₊> bezeichne- ten Laststromkreis ergibt.

FIG 3 zeigt die analoge Situation, in der das zweite Wandler^¬ modul M2 die in FIG 4 links unten gezeigte pulsierende

Gleichspannung Vo2 (t) generiert, deren positiven Spannungs- halbwellen gegenüber denjenigen der pulsierenden Gleichspannung Vol (t) des ersten Wandlermoduls Ml um eine halbe Periode versetzt sind. Der mit I _L<-> bezeichnete Laststromkreis ist nun über das erste Wandlermodul Ml geschlossenen, während das zweite Wandlermodul M2 die in FIG 4 links unten gezeigten halbsinusförmigen Gleichspannungshalbwellen Vo2 (t) erzeugt. Während der Abgabe jeder einzelnen sinusförmigen Gleichspannungshalbwelle durch das zweite Wandlermodul M2 ist der Frei- laufpfad Fl des ersten Wandlermoduls Ml ununterbrochen durchgeschaltet, so dass sich der mit I _L<-> bezeichnete Laststrom oder Laststromkreis ergibt.

Aufgrund des zum Laststrom I _L<₊> gemäß FIG 2 entgegengerichte- ten Laststroms I _L<-> gemäß FIG 3 ist aus Sicht der Last 2 durch Differenzbildung gemäß FIG 4 rechts eine insgesamt si^¬ nusförmige Ausgangs- oder Lastspannung Vo (t) = Vol (t) - Vo2 (t) bereitgestellt. Aus Sicht der Last bzw. Signalleuchte 2 ist somit ein Polaritätswechsel der vom zweiten Wandlermo- dul M2 erzeugten pulsierenden Gleichspannung Vo2 (t) vorhanden. Das Anschalten der Last 2 zwischen die Pluspfade PI und P2 der Wandlermodule Ml und M2 sowie das zeitrichtige Akti^¬ vieren der gesteuerten Freilauf-Halbleiterschalter T2B und T1B im aktuell keine Leistung abgebenden Wandlermodul M2 bzw. Ml ermöglicht somit die Bereitstellung einer sinusförmigen

Wechselspannung Vo (t) mit einer gewünschten Frequenz von beispielsweise 50Hz.

Darüber hinaus können mittels der Regelung 3 die beiden als Tiefsetzsteller mit Synchrongleichrichtung arbeitenden Wandlermodule Ml und M2 in einfacher sowie zuverlässiger Art und Weise für einen Blinkbetrieb einer oder mehrerer Signalleuchten 2 einer Signalanlage für Schienenfahrzeug und deren Tag- Nacht-Umschaltung mit unterschiedlichem Helligkeitsgrad er- reicht werden. Auch können zur Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten der Signalanlage, insbesondere unterschiedli^¬ cher Anschlussleitungswiderstände zu der Signalleuchte bzw. den Signalleuchten, durch entsprechende Auswahl A unterschiedliche Soll-Ausgangsspannungen der Regelung 3 aktiviert werden.

Hierzu kann mittels eines Blinksynchronisationsbausteins BLl, BL2 der Sollwertvorgabe SV1 bzw. SV2 der Regelung 3 ein ge- wünschter Blinkzustand An (y) oder Aus (n) und eine gewünschte Blinkgeschwindigkeit der lastseitigen Signalleuchte 2 vor^¬ gegeben werden. Zudem dient ein Tag-Nacht-Baustein TN1, TN2 der Sollwertvorgaben Vis bzw. V2s zur Vorgabe der geminderten Helligkeit der Signalleuchte 2 bei Nacht im Rahmen einer ge^¬ forderten Tag-Nacht-Umschaltung .

Weiterhin dient ein Leitungsanpassungsbaustein LA1 bzw. LA2 zur wahlweisen Erhöhung der Ausgangsspannung, um trotz An- schlussleitungswiderständen an der Signalleuchte die notwendige Betriebsspannung zu erzielen. Die vorgenannte Gruppe von Sollwerterzeugern, einschließlich des AC-Bausteins AC1 bzw. AC2, können gleichzeitig aktiv sein und die Erzeugung der Ausgangsspannung beeinflussen. Eine beispielsweise mit 50Hz Wechselspannung zu betreibende Signalleuchte könnte aktuell auf Nachtspannung geschaltet und blinkend aktiviert sein, während die Ausgangsspannung grundsätzlich zum Ausgleich von Anschlussleitungswiderständen um 10% erhöht ist. Damit diese Wandlermodule Ml, M2 alle Anforderungen der Ei^¬ senbahnsignaltechnik zur Ansteuerung von Signalleuchten erfüllen können und nicht auf die Erzeugung einer Wechselspannung eingegrenzt werden, ist vorzugsweise noch ein DC-Bau- stein DC1, DC2 in der Regelung 3 vorgesehen. Die Sollwertvor- gaben der DC-Bausteine DC1 bzw. DC2 werden alternativ zu den Sollwertvorgaben der AC-Bausteine AC1 bzw. AC2 ausgewählt, wenn im jeweiligen Anwendungsfall die Signalleuchten mit Gleichspannung betrieben werden. FIG 5 zeigte eine Variante der Wandlermodule Ml und M2 mit anstelle eines Synchrongleichrichter-MOSFET im Freilaufpfad Fl bzw. F2 jeweils einem ausgangsseitigen Halbleiterschalter Τ1Β^λ und T2B ^λ in Form wiederum vorzugsweise eines MOSFET zusätzlich zu einer diskreten Diode Dl bzw. D2 zwischen dem je- weiligen Pluspfad PI, P2 und dem jeweiligen Minus- oder Bezugspfad Bl bzw. B2. Erkennbar weisen die Gate-Treiber Gl, G2 der Wandlermodule Ml bzw. M2 einen ersten Anschluss All, A21 und einen zweiten Anschluss A12, A22 auf. Der jeweils erste Anschluss All, A21 ist wiederum - analog zu den FIG 1 bis 3 - an den jeweiligen PWM-Baustein PWM1 bzw. PWM2 angeschlossen. Der jeweils zweite Anschluss A12, A22 ist an den jeweiligen Soll-Ist-Vergleicherbaustein V_SI1 bzw. V_SI2 angeschlossen.

Der PWM-Baustein PWM1, PWM2 steuert über den jeweiligen Gate- Treiber Gl, G2 den Halbleiterschalter TIA, T2A des Wandlermoduls Ml bzw. M2. Der Vergleicherbaustein V_SI1, V_SI2 steuert über den Gate-Treiber Gl, G2 den Halbleiterschalter T1B

T2B ^λ der Wandlermodule Ml bzw. M2 zur Herstellung des jeweiligen Kurzschlusses gemäß den FIG 2 und 3.

Demgegenüber steuert bei der Ausführungsform nach den FIG 1 bis 3 der jeweilige PWM-Baustein PWM1, PWM2 über den entspre- chenden Gate-Treiber Gl, G2 beide Halbleiterschalter TIA, TIB bzw. T2A, T2B, da die Halbleiterschalter TIB, T2B Synchrongleichrichter sind und zeitrichtig die bei der Ausführungs^¬ form nach den FIG 1 bis 3 nicht vorhandene Diode Dl, D2 er^¬ setzt. Hier steuert der Soll-Ist-Vergleicherbaustein V_SI1, V_SI2 über das jeweilige Gate-Drive Gl, G2 ebenfalls den Synchron^¬ gleichrichter-Halbleiterschalter TIB bzw. T2B und verursacht den Kurzschluss, während der jeweilige PWM-Baustein PWM1, PWM2 zu dieser Zeit ruht, da keine Spannung abzugeben ist. Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Aus^¬ führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Va^¬ rianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausfüh- rungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere

Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

So kann die Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle insgesamt mit umgekehrter Polarität angeschlossen sein. Für alle Halbleiterschalter TIA, TIB, T2A und T2B können auch solche Typen eingesetzt werden, die für die andere Polarität geeignet sind. Die Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle kann insge- samt mit umgekehrter Polarität angeschlossen sein, und alle Halbleiterschalter TIA, T1B, T2A und T2B können entgegen der Darstellungen in FIG 1 bis 3 mit vertauschtem Drain- und Source-Anschluss verwendet werden.

Auch kann eines der Wandlermodule Ml oder M2 mit umgekehrter Polarität an die Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle an^¬ geschlossen und mit den dafür geeigneten Halbleiterschaltern versehen werden. Zudem kann eines der Wandlermodule Ml oder M2 mit umgekehrter Polarität an die Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle angeschlossen sein, und die darin verwendeten Halbleiterschalter werden mit vertauschtem Drain- und Source- Anschluss angeschlossen.

Bezugs zeichenliste

1 Ansteuervorrichtung

2 Last/Signalleuchte

3 Steuer-/Regeleinrichtung

A Auswahl

All, 21 Gate-Treiber -Anschluss

A21,22 Gate-Treiber -Anschluss

AC1,2 Sollwerterzeuger/AC-Baustein

Bl,2 Bezugspfad

BL1, 2 Sollwerterzeuger/Blinksynchronisationsbaustein

Cl,2 Kondensator

DC1, 2 Sollwerterzeuger/DC-Baustein

Fl, 2 Freilaufpfad

Gl, 2 Gate-Treiber

LA1, 2 Sollwerterzeuger/Leitungsanpassungsbaustein

I_L Laststrom

I _L<+) Lastromkreis

LI, 2 Induktivität/Spule

Ml, 2 Wandlermodul

PI, 2 Pluspfad

PWM1,2 PWM-Baustein

Sl,2 PWM-/Steuersignal

SV1,2 Sollwertvorgabe

TIA Halbleiterschalter

T2A Halbleiterschalter

T1B Halbleiterschalter (Synchrongleichrichter-MOSFET)

T2B Halbleiterschalter (Synchrongleichrichter-MOSFET) Τ1Β^λ Halbleiterschalter

T2B ^λ Halbleiterschalter

TN1, 2 Sollwerterzeuger/Tag-Nacht-Baustein

U_E Pluspol/Gleichspannungsquelle

Vli Istwert

V2i Istwert

Vis Sollwert

V2s Sollwert

V_SIi_f2 Vergleicherbaustein Vol (t) Spannungshalbwellen/pulsierende Gleichspannung

Vo2 (t) Spannungshalbwellen/pulsierende Gleichspannung

Vo (t) sinusförmige Ausgangs-/Lastspannung

t_a Ausschaltzeit

t_e Einschaltzeit

t_p Periodendauer

d Tastgrad (duty cycle)

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer Last (2), insbesondere zur Ansteuerung von Signalleuchten einer Signalanlage, mittels eines getakteten Spannungswandlers mit zwei Wandlermodulen (Ml, M2), die mittels pulsmodulierten Steuersignalen (Sl, S2) derart angesteuert werden, dass die ausgangsseitige Last (2) mit zwei gegeneinander um eine halbe Periode versetzten Spannungshalbwellen

(Vol (t) , Vo2 (t) ) versorgt wird.

Verfahren nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass während der Erzeugung der Spannungshalbwellen

(Vol (t) , Vo2 (t) ) mittels jeweils eines der beiden Wand^¬ lermodule (Ml, M2) der ausgangsseitige Lastromkreis

(IL<₊), IL(->) über das jeweils andere Wandlermodul (M2, Ml) geschlossen wird.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass jeweils eines der beiden Wandlermodule (Ml, M2) ausgangsseitig über einen Freilauf- oder Strompfad (Fl,

F2) kurzgeschlossen wird, während das jeweils andere

Wandlermodul (M2, Ml) die Spannungshalbwellen (Vo2 (t) ,

Vol ( t ) ) erzeugt .

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass jeweils eines der beiden Wandlermodule (Ml, M2) ausgangsseitig über einen steuerbaren Halbleiterschalter (T1B, T2B; Τ1Β^λ, Τ2Β^λ), insbesondere einen Synchron- gleichrichter-MOSFET, kurzgeschlossen wird, während das jeweils andere Wandlermodul (M2, Ml) die Spannungshalb^¬ wellen (Vo2 (t) , Vol (t) ) erzeugt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass aus von den Wandlermodulen (M12, M2) erzeugten, insbesondere positiven, Spannungshalbwellen (Vol (t) , Vo2 (t) ) eine Lastspannung (Vo (t) ) mit periodisch positi^¬ ven und negativen Halbwellen gebildet wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass jedes der beiden Wandlermodule (Ml, M2) ausgangs- seitig ein pulsierende Gleichspannung erzeugt, aus denen eine sinusförmige Lastspannung (Vo (t) ) gebildet wird.

Vorrichtung (1) zur Ansteuerung einer Last (2), mit einem getakteten Spannungswandler mit zwei eingangsseitig parallel geschalteten, insbesondere als Tiefsetzsteller arbeitenden, Wandlermodulen (Ml, M2) mit zwischen diesen geschalter Last (2), und mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) zur Steuerung der Wandlermodule (Ml, M2) derart, dass diese ausgangsseitig zwei gegeneinander um eine halbe Periode versetzte Spannungshalbwellen (Vol (t) , Vo2 (t) ) erzeugen.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 7,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass jedes Wandlermodul (Ml, M2) einen positiven Strompfad (PI, P2) mit einer Reihenschaltung aus einem steuerbaren Halbleiterschalter (TIA, T2A) und einer Induktivität (LI, L2) sowie einen Bezugspfad (Bl, B2) aufweist, wobei die Last (2) ausgangsseitig zwischen die beiden positiven Strompfade (PI, P2) geschaltet ist.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 8,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass jedes der beiden Wandlermodule (Ml, M2) zwischen dem positiven Strompfad (PI, P2) und dem Bezugspfad (Bl, B2) einen Strom- oder Freilaufpfad (Fl, F2) aufweist, über den während der Erzeugung der Spannungshalbwellen (Vol (t) , Vo2 (t) ) mittels des jeweils anderen der beiden Wandlermodule (M2, Ml) der Laststromkreis (I_{L (+) F} IL<-₎ ) geschlossen ist.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 9,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass in den Strom- bzw. Freilaufpfad (Fl, F2) des jewei^¬ ligen Wandlermoduls (Ml, M2) ein mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) steuerbarer Halbleiterschalter (T1B, T2B; Τ1Β^λ, Τ2Β^λ), insbesondere ein mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) gesteuerter Synchrongleichrichter-MOSFET (T1B, T2B) , geschaltet ist .

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) anhand eines Vergleichs der an den Wandlermodulen (Ml, M2) aus- gangsseitig erfassten Istwerte (Vli, V2i) und eines von einer Sollwertvorgabe (SV1, SV2) erzeugten Sollwertes (Vis, V2s) den Tastgrad eines pulsmodulierten, insbesondere pulsweiten- und/oder puls-pausen-modulierten, Steuersignals (Sl, S2) für das jeweilige Wandlermodul (Ml, M2) zur Formung der Spannungshalbwellen (Vol (t) , Vo2 (t) ) einstellt .

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) einen Sollwerterzeuger (AC1, AC2) zur Formung der Spannungshalbwellen (Vol (t) , Vo2 (t) ) aufweist.

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12 zur Ansteuerung von Signalleuchten (2) einer Signalanlage für Schienenfahrzeuge,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) einen Sollwerterzeuger (TN1, TN2) für eine Nacht-Helligkeit, einen Sollwerterzeuger (BL1, BL2) für eine synchroni- sierte Blinkgeschwindigkeit und/oder einen Sollwerter^¬ zeuger (LA1, LA2) für eine Erhöhung der Ausgangsspannung zum Ausgleich von Anschlussleitungswiderständen der oder jeder Signalleuchte (2) aufweist.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 13,

g e k e n n z e i c h n e t d u r c h

mindestens eine Auswahlleitung (A) zur Aktivierung eines oder mehrerer Sollwerterzeuger (AC1, AC2; TN1, TN2 ; BL1, BL2; LA1, LA2 ) .