Elektrische Schaltung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zur Verstimmung eines Resonanzkreises nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Durchschalten einer Diode muss zuerst die Sperrschichtkapazität der Diode entladen und anschließend die Durchflusskapazität der Diode geladen werden. Beim Sperren der Diode muss dieser Vorgang umgekehrt durchlaufen werden. Stromkreise weisen in Folge der Geometrie ihrer Leitungen immer eine Induktivität auf, die mit den Kapazitäten der Diode einen Resonanzkreis ausbildet. Zusätzlich kann der Stromkreis weitere Induktivitäten, beispielsweise in Schaltreglern, enthalten, die zu einer Induktivitätserhöhung im Stromkreis führen. Der von den Induktivitäten und Kapazitäten gebildete Resonanzkreis weist eine oder mehrere Resonanzfrequenzen auf, die regelmäßig als störend empfunden werden. Besonders störend sind Resonanzfrequenzen bei Resonanzkreisen, die aus einem induktiven Stromkreis mit einer periodisch geschalteten Diode gebildet werden.

Um die Auswirkungen von Resonanzfrequenzen zu mindern, ist es bekannt, eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und einem ohmschen Widerstand parallel zu der Diode zu schalten. Durch die höhere Gesamtkapazität des Stromkreises wird die Resonanzfrequenz zu niedrigeren Frequenzen hin verschoben, wo sie als weniger störend empfunden wird. Die Güte des Resonanzkreises wird durch den zusätzlichen Kondensator und den ohmschen Widerstand reduziert.

Nachteilig bei der beschriebenen Reihenschaltung aus Kondensator und ohmschem Widerstand ist, dass eine Verstimmung des Resonanzkreises

nur in begrenztem Umfang möglich ist. Der ohmsche Widerstand muss so klein gewählt werden, dass der Betrag der Impedanz der Reihenschaltung aus Kondensator und ohmschem Widerstand in der Größenordnung des Betrags der Impedanz der Diodenkapazität liegt. Damit ist der Wert des ohmschen Widerstands auf wenige Ohm begrenzt. Zusätzlich darf die Kapazität des Kondensators nicht zu groß gewählt werden, da die Kapazität beim periodischen Umschalten der Spannung an der Diode umgeladen werden muss, was bei einer großen Kapazität zu hohen Kurzschlussein- schaltströmen führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltung zur Verstimmung eines Resonanzkreises derart weiterzubilden, dass eine Verstimmung des Resonanzkreises in weiten Bereichen möglich ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Schaltung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Resonanzkreis dann in weiten Bereichen verstimmt werden kann, wenn die Verstimmungseinrichtung zumindest teilweise in Reihe zu der Ableitungseinrichtung angeordnet ist. Die Güte und die Resonanz- frequenz des Resonanzkreises kann in weiten Bereichen eingestellt werden, ohne dass Randbedingungen einzuhalten sind, wie dies im Stand der Technik zu erfolgen hat.

Eine Ausbildung der Verstimmungseinrichtung nach Anspruch 2 führt zu einer höheren Dämpfung des Resonanzkreises, sodass Schwingungen schnell abklingen oder nicht entstehen.

Eine Verstimmungseinrichtung nach Anspruch 3 fuhrt aufgrund der Induktivität des induktiven Bauteils zu einer wirkungsvollen Verstimmung der mindestens einen Resonanzfrequenz.

Ein induktives Bauteil nach Anspruch 4 weist für niedrige Frequenzen ein rein induktives Verhalten auf, dem sich bei höheren Frequenzen ein Verhalten überlagert, wie es ein ohmscher Widerstand hat. Ein derartig selektives Verhalten des induktiven Bauteils ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der induktiv wirkende Stromkreis einen Schaltregler umfasst.

Eine Ausbildung des induktiven Bauteils nach Anspruch 5 ist kostengünstig.

Eine Begrenzungseinrichtung nach Anspruch 6 ermöglicht eine Begren- zung von unerwünschten induzierten überspannungen, die infolge des induktiven Bauteils auftreten.

Eine Begrenzungseinrichtung nach Anspruch 7 ermöglicht ein wirkungsvolles Begrenzen von überspannungen, wobei die Güte des Resonanzkrei- ses im Wesentlichen nicht beeinflusst wird.

Durch eine Verstimmungseinrichtung nach Anspruch 8 kann die Güte des Resonanzkreises in einem sehr weiten Bereich eingestellt werden.

Bei einem Stromkreis nach Anspruch 9 kommen die Vorteile der Verstimmungseinrichtung besonders zum Tragen, da der Schaltregler durch das periodische Schalten ohne eine Verstimmung des Resonanzkreises diesen ständig anregen würde.

Bei einer Ableitungseinrichtung nach Anspruch 10 ist die Verstimmungseinrichtung sehr wirkungsvoll, da Freilauf dio den Kapazitäten aufweisen, die insbesondere mit der Induktivität eines Schaltreglers Resonanzfrequenzen ausbilden, die von dem Schaltregler angeregt werden und sehr störend sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Schaltung gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 2 eine elektrische Schaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine elektrische Schaltung 1 zur Verstimmung eines Resonanzkreises. Die elektrische Schaltung 1 weist einen Schaltregler 2 auf, der beispielsweise als Tiefsetzsteller oder Hochsetzsteller ausgebildet ist. Der Schaltregler 2 umfasst drei Eingänge. Ein erster Eingang 3 ist über einen ohmschen Vorwiderstand 4 mit einem Schaltungseingang 5 verbunden. Der Vorwiderstand 4 weist einen Widerstandswert R _v auf. Am Schaltungseingang 5 liegt eine Eingangsspannung U _E an. Ein zweiter Eingang 6 des Schaltreglers 2 ist direkt mit dem Schaltungseingang 5 verbunden, sodass die Eingangsspannung U _E unmittelbar an dem zweiten Eingang 6 des Schaltreglers 2 anliegt. Ein dritter Eingang 7 des Schaltreglers 2 ist unmittelbar mit einem Massepotential 8 verbunden. Eingangsseitig weist die Schaltung 1 einen ersten Glättungskondensator 9 auf, der mit dem Schaltungseingang 5 und dem Massepotential 8 verbunden ist und eine Kapazität Cv besitzt. Der ohmsche Vorwiderstand 4 hat einen Widerstandswert R _v

von 100 kω und der erste Glättungskondensator 9 eine Kapazität Cy von 100 nF.

Der Schaltregler 2 weist ferner einen Ausgang 10 auf, der über eine Spei- cherdrossel 11 mit einem Schaltungsausgang 12 verbunden ist. Die Speicherdrossel 11 besitzt eine Induktivität L _A - Am Schaltungsausgang 12 liegt die Ausgangsspannung U _A an. Die Schaltung 1 weist ausgangsseitig einen zweiten Glättungskondensator 13 auf, der mit dem Schaltungsausgang 12 und dem Massepotential 8 verbunden ist und eine Kapazität C _A aufweist. Die Induktivität L _A der Speicherdrossel 11 beträgt 68 μH und die Kapazität C _A des zweiten Glättungskondensators 9 beträgt 100 μF.

Ausgangsseitig weist die Schaltung 1 eine kapazitiv wirkende Ableitungseinrichtung 15 zur Ableitung eines Freilaufstromes auf. Die Ableitungsein- richtung 15 ist mit dem Ausgang 10 und dem Massepotential 8 verbunden. Die Ableitungseinrichtung 15 ist als Freilaufdiode ausgebildet. Nachfolgend wird die Ableitungseinrichtung als Freilaufdiode 15 bezeichnet.

In einer Durchlassrichtung betrachtet, ist die Freilaufdiode 15 eingangssei- tig mit dem Massepotential 8 und ausgangsseitig mit dem Ausgang 10 des Schaltreglers 2 verbunden. Die Freilaufdiode 15 weist eine Sperrschichtkapazität Cs und eine Durchflusskapazität C _D auf, die das kapazitive Verhalten der Freilaufdiode bewirken. Der Schaltregler 2, der erste Glättungskondensator 9 und die Freilaufdiode 15 bilden einen induktiv wirkenden Stromkreis 14 aus, der die Induktivitäten des Schaltreglers 2, des ersten Glättungskondensators 9 und der Freilaufdiode 15 sowie die nicht näher bezeichneten Induktivitäten der Leitungen aufweist. Die Kapazitäten der Freilaufdiode 15 bilden zusammen mit den Induktivitäten des Stromkreises

14 einen Resonanzkreis aus, der eine Resonanzfrequenz f^ aufweist. Der Freilaufsrrom resultiert aus dem induktiven Verhalten des Stromkreises 14.

Zur Veränderung der Resonanzfrequenz f _R ist eine Verstimmungseinrich- tung 16 vorgesehen. Die Verstimmungseinrichtung 16 weist ein induktives Bauteil 17 auf, das in Reihe zu der Freilauf diode 15 angeordnet ist. Das induktive Bauteil 17 ist somit mit der Freilaufdiode 15 und dem Massepotential 8 elektrisch leitend verbunden. Das induktive Verhalten des induktiven Bauteils 17 ist durch eine Induktivität L _v beschreibbar. Die Verstim- mungseinrichtung 16 ist derart ausgebildet, dass der Resonanzkreis mit der Verstimmungseinrichtung 16 im Vergleich zu dem Resonanzkreis ohne der Verstimmungseinrichtung 16 eine reduzierte Güte G, also eine höhere Dämpfung D, aufweist. Erreicht wird dies durch den Realteil des induktiven Bauteils 17, welches aus einem Ferritmaterial besteht und als Ferrit- Bead ausgebildet ist, der die nicht näher bezeichnete Verbindungsleitung zwischen der Freilaufdiode 15 und dem Massepotential 8 umschließt.

Ohne die Verstimmungseinrichtung 16 entsteht beim Schließen des Resonanzkreises durch den Schaltregler 2 eine nur schwach gedämpfte Schwin- gung. Der Resonanzkreis wird in diesem Fall durch den geschlossenen

Schaltregler 2, den ersten Glättungskondensator 9 und die Freilaufdiode 15 gebildet.

Das induktive Bauteil 17 weist in Folge des Ferritmaterials für niedrige Frequenzen ein rein induktives Verhalten auf, dem sich bei höheren Frequenzen ein ohmsches Verhalten überlagert. Durch das induktive Verhalten wird die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises verstimmt, so dass dieser nicht länger durch das Schalten des Schaltreglers 2 angeregt wird. Weiterhin wird die Güte G des Resonanzkreises durch das ohmsche Verhalten

stark reduziert, wodurch der Resonanzkreis stark gedämpft ist, sodass dieser bei höheren Frequenzen zwischen 100 MHz und 100 MHz nicht mehr schwingfähig ist. Die Dämpfung D des Resonanzkreises ist derart hoch, dass der sogenannte aperiodische Kriechfall vorliegt. In der komplexen Frequenzebene bedeutet dies, dass die ursprünglich konjugiert komplexen Nullstellen der übertragungsfunktion des Resonanzkreises ohne die Verstimmungsemrichtung 16 durch das ohmsche Verhalten der Verstimmungseinrichtung 16 auf die reelle Achse gewandert sind. Der Resonanzkreis ist somit so stark bedämpft, dass dieser nicht mehr schwingfähig ist.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfϊndungsgemäßen elektrischen Schaltung 1. Der Schaltregler 2 weist zur Unterstützung der internen Ladungspumpe einen zweiten Ausgang 18 auf, der über einen dritten Kondensator 19, der auch als Boot-Strap-Kondensator bezeichnet wird, mit dem ersten Ausgang 10 verbunden ist. Zur Begrenzung einer von dem induktiven Bauteil 17 hervorgerufenen Induktionsspannung ist eine Begrenzungseinrichtung 20 vorgesehen, die parallel zu der Freilaufdiode 15 und dem induktiven Bauteil 17 angeordnet ist. Die Begrenzungseinrichtung 20 weist eine Diode 21 und einen in Reihe zu dieser angeordneten ohmschen Widerstand 22 auf. Die Diode 21 ist eine niederkapazitive Kleinsignaldiode, deren kapazitives Verhalten durch eine Kapazität C _K beschreibbar ist. Der ohmsche Widerstand 22 weist einen Widerstandswert R _κ auf, der sich aus dem Betrag einer maximal zulässigen negativen Spannung U _max am Ausgang 10 des Schaltreglers 2 und einem Strom i durch eine Induktivität der Speicherdrossel 11 kurz vor dem Ausschaltzeitpunkt des Schaltreglers 2 nach folgender Formel ergibt:

Rκ =(U _max - U _D ) / i,

wobei U _D eine Flussspannung der Diode 21 ist.

Die Verstimmungsemrichtung 16 weist weiterhin einen ohmschen Widerstand 23 auf, der in Reihe zu dem im Resonanzkreis befindlichen ersten Glättungskondensator 9 geschalten ist. Der ohmsche Widerstand 23 weist einen Widerstandswert R ₁ auf.

Mittels der Diode 21 werden von dem induktiven Bauteil 17 hervorgerufene Induktionsspannungen gekappt. Die Kapazität C _κ der Diode 21 und die Induktivität Ly des induktiven Bauteils 17 bilden einen weiteren Resonanzkreis aus, der mittels des ohmschen Widerstands 22 gedämpft ist. Der ohmsche Widerstand 22 schützt die Diode 21 gleichzeitig vor Zerstörung, wenn die Durchlassspannung der Diode 21 kleiner ist, als die Durchlassspannung der Freilauf diode 15. Der ohmsche Widerstand 23 dient zur wei- teren Reduktion der Güte Q bei niedrigen Frequenzen, wenn das induktive Bauteil 17 ein rein induktives Verhalten aufweist.