Beschreibung

Frequenzmodulationsschaltkreis zum Ansteuern einer Nutzschal ^¬ tung

Die Erfindung betrifft einen Frequenzmodulationsschaltkreis zum Ansteuern einer Nutzschaltung.

Die Regelung mancher Nutzschaltungen, wie z.B. von Resonanz- wandlern, erfolgt über eine Frequenzmodulation der einen Schwingkreis anregenden Spannung. Durch die Anregung des Schwingkreises kann Energie über dessen Schwingkreiselemente, eine Resonanzinduktivität oder eine Resonanzkapazität, ausge ^¬ koppelt werden. Ein Anwendungsbereich dieser leistungselekt- ronischen Schaltungen liegt im Bereich der drahtlosen Energieübertragung, dem induktiven Kochen oder von Röntgengenera- toren .

Die Ansteuerung einer derartigen Schaltung erfolgt in der Praxis durch Mikroprozessoren oder diskret aufgebaute Schal ^¬ tungsanordnungen. Beide Varianten ermöglichen eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Ansteuerungsweise, sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass die Herstellung mit hohen Kosten verbunden ist, da keine standardisierten Elemente zum Einsatz kommen, sondern eine an den jeweiligen Einsatzzweck notwendige Anpassung vorgenommen werden muss. Es wäre deshalb wünschenswert, wenn mittels Frequenzmodulation geregelte Nutz ^¬ schaltungen unter Verwendung eines standardisierten integrierten Bausteins geregelt werden könnten.

Standardisierte Schaltkreise in Form von integrierten Bau ^¬ steinen sind in Form von handelsüblichen Pulsweitenmodulati- ons (PWM) -Steuerschaltkreisen bekannt, welche ein Ausgangssignal mit einer festen Frequenz abgeben können, die durch einen RC-Sägezahngenerator des PWM-Steuerschaltkreises er ^¬ zeugt wird. Der Einsatz von PWM-Steuerschaltkreisen zum Ansteuern einer Nutzschaltung, bei der die Regelung der Nutz-

Schaltung über eine Frequenzmodulation erfolgt, ist nicht möglich .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Frequenzmodulationsschaltkreis zum Ansteuern einer Nutzschal ^¬ tung anzugeben, welcher eine Regelung auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Frequenzmodu- lationsschaltkreis gelöst, der einen integrierten Baustein aufweist, der einen Sägezahngenerator zur Erzeugung eines Sägezahnsignals einer festen Frequenz aufweist, die mit einem ersten und einem zweiten Anschluss des integrierten Bausteins verbunden ist, wobei an dem ersten Anschluss ein diskreter Widerstand und an dem zweiten Anschluss ein diskreter La ^¬ dungsspeicher angeschlossen sind, durch deren Dimensionierung die Steigung der steigenden und der fallenden Flanke des Sägezahnsignals und damit die Frequenz auf einen bestimmten Wert festgelegt ist. Weiter ist eine an dem zweiten Anschluss angeschlossene Stromquelle vorgesehen, mit welcher durch das Bereitstellen eines Stromes die Zeitdauer des Ladevorganges des Ladungsspeichers und damit die steigende Flanke des Säge ^¬ zahnsignals einstellbar sind, wobei die Stromquelle von dem integrierten Baustein unabhängig gebildet ist.

Die Erfindung schlägt somit vor, einen integrierten Baustein zu verwenden, welcher ein Sägezahnsignal einer festen Frequenz abgeben kann, mit einer zusätzlichen Stromquelle zu beschälten, mit welcher die steigende Flanke des Sägezahnsig- nals beeinflusst werden kann. Der besondere Vorteil besteht darin, dass integrierte Bausteine mit einem Sägezahngenerator zur Erzeugung eines Sägezahnsignals in einer großen Vielfalt am Markt verfügbar sind, welche gemäß der Erfindung durch die Stromquelle beschaltbar sind. Im Ergebnis wird dadurch ein Frequenzmodulationsschaltkreis bereitgestellt, welcher zum Ansteuern einer Nutzschaltung geeignet ist, deren Regelung über Frequenzmodulation erfolgt.

Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der integrierte Bau ^¬ stein durch einen handelsüblichen Pulsweitenmodulations (PWM) -Steuerschaltkreis gebildet ist. Diese können zu günsti ^¬ gen Preisen von verschiedensten Herstellern in unterschiedli- chen Konfigurationen bezogen werden. Dadurch können Frequenzmodulationsschaltkreise mit einer beliebigen Anzahl an Aus ^¬ gängen bereitgestellt werden, die beispielsweise entsprechend der Anzahl der zu steuernden Schaltelemente der Nutzschaltung gewählt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Stromquelle aus diskreten Bauelementen gebildet. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der von der Stromquelle erzeugte Strom geregelt ist, wobei gemäß einer weiteren Ausges- taltung der Frequenzmodulationsschaltkreis das zur Regelung der Stromquelle erforderliche Regelsignal von der Nutzschal ^¬ tung erhält. Dieses kann insbesondere von einer Last der Nutzschaltung gewinnbar sein.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Nutzschaltung ein Resonanzwandler, dessen Schaltelement oder -elemente durch den Frequenzmodulationsschaltkreis ansteuerbar sind.

Die Stromquelle kann prinzipiell in beliebiger Form ausgebil- det sein. Eine Variante sieht vor, dass die Stromquelle ein Halbleiterschaltelement umfasst, dessen Laststrecke in Serie mit einem Widerstand zwischen einem Versorgungspotentialan- schluss und dem zweiten Anschluss des integrierten Bausteins verschaltet ist; ein Mittelabgriff eines Spannungsteilers mit dem Steueranschluss des Halbleiterschaltelements gekoppelt ist, wobei der Spannungsteiler zwischen dem Versorgungspoten- tialanschluss und einem Anschluss für ein Regelsignal ver ^¬ schaltet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä ^¬ ßen Frequenzmodulationsschaltkreises zum Ansteuern einer Nutzschaltung,

Fig. 2 eine Darstellung, anhand der das Funktionsprinzip der Frequenzeinstellung mit internen und externen Stromquellen anhand eines in PWM-

Steuerschaltkreisen verwendeten Oszillators dargestellt ist,

Fig. 3 den Spannungsverlauf an einem externen Ladungsspei ^¬ cher gemäß Fig. 2 und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer möglichen Realisie- rung einer Stromquelle.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Frequenzmodulationsschaltkreis 1 mit einem Ausgang zum Ansteuern einer Nutzschaltung 30 über einen Eingang 25. Bei der Nutz- Schaltung 30 handelt es sich beispielsweise um einen Reso ^¬ nanzwandler. Da der Aufbau von Resonanzwandlern aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf eine nähere Beschreibung desselben verzichtet. Es sei lediglich darauf hingewiesen, dass prinzi- piell jede Art von Resonanzwandlern mit dem erfindungsgemäßen Frequenzmodulationsschaltkreis 1 ansteuerbar ist. Dies kann unabhängig davon erfolgen, wie viele Schaltelemente des Reso ^¬ nanzwandlers angesteuert werden müssen.

Der erfindungsgemäße Frequenzmodulationsschaltkreis umfasst einen integrierten Baustein 10. Bei diesem handelt es sich um einen handelsüblichen Pulsweitenmodulations (PWM) - Steuerschaltkreis. Diese weisen einen Sägezahngenerator 11 auf, der mit einem ersten Anschluss 12 und einem zweiten An- Schluss 13 des integrierten Bausteins 10 verbunden ist. An den ersten Anschluss 12 ist ein Widerstand 14 (der üblicherweise als Widerstand RT bezeichnet wird) angeschlossen. An den zweiten Anschluss 13 ist ein Ladungsspeicher 15 ange-

schlössen, welcher in der Praxis auch als Ladungsspeicher CT bezeichnet wird. Der erste Anschluss 12 wird deshalb auch als RT-Anschluss und der zweite Anschluss 13 als CT-Anschluss be ^¬ zeichnet .

Der in Fig. 1 dargestellte Sägezahngenerator 11 entspricht von seinem prinzipiellen Aufbau her den aus dem Stand der Technik bekannten Sägezahngeneratoren zum Erzeugen eines Ausgangssignals mit einer festen Frequenz. Der Aufbau und die Funktionsweise des Sägezahngenerators 11 kann beispielsweise dem Datenblatt zum PWM-Steuerschaltkreis UC 1825A von Texas Instruments entnommen werden.

Um eine Frequenzmodulation an einem Ausgang 24 des integrier- ten Bausteins 10 zu ermöglichen, ist weiterhin eine Stromquelle 16 vorgesehen, die mit dem Ladungsspeicher 15 und dem zweiten Anschluss 13 des integrierten Bausteins 10 verbunden ist. Die Stromquelle 16 ist von dem integrierten Baustein unabhängig und vorzugsweise aus diskreten Bauelementen gebil- det . Der von der Stromquelle 16 erzeugte Strom, welcher den Ladevorgang des Ladungsspeichers 15 und damit die Form des Sägezahnsignals beeinflusst, ist abhängig von einem von der Nutzschaltung 30 abgegebenen Regelsignal Vreg, welches der Stromquelle 16 über einen Ausgangsanschluss 26 der Nutzschal- tung 30 zur Verfügung gestellt wird.

Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip besteht somit darin, die Vorteile eines integrierten PWM-Steuerschalt- kreises zu nutzen und diesen durch eine zusätzliche, externe Stromquelle zu steuern. Die Vorteile eines PWM-Steuerschalt- kreises bestehen darin, dass diese von vielen unterschiedli ^¬ chen Herstellern als standardisierte integrierte Bausteine kostengünstig beziehbar sind.

Dieses Prinzip wird nachfolgend in Verbindung mit der Be ^¬ schreibung der Fig. 2 und 3 näher erläutert. Fig. 2 zeigt die zur Modifizierung der Frequenz des Sägezahnsignals notwendi ^¬ gen Komponenten. Dargestellt ist der Sägezahngenerator 11 aus

Fig. 1 mit einer Stromquelle 32, einer Stromsenke 35, welche über ein Schaltelement 34 mit einem Bezugspotential verbunden ist. Der Verbindungsknoten zwischen der Stromquelle 32 und der Stromsenke 35 ist mit dem zweiten Anschluss 13 gekoppelt. An diesen sind der Ladungsspeicher 15 und die zusätzliche, externe Stromquelle 16 angeschlossen. Eine Spannungsquelle 36 ist über den ersten Anschluss 12 mit dem Widerstand 14 ver ^¬ bunden .

Im konventionellen Betrieb, das heißt beim Betrieb mit fester Frequenz, wird der Ladungsspeicher 15 über die Stromquelle 32 mit einem Strom I _RT geladen. Das Schaltelement 34 ist dabei geöffnet. Der Ladungsspeicher 15 wird, ausgehend von einer Spannung VCT = VCT _V , mit dem Strom I _RT = I _x so lange geladen, bis die Spannung VCT einen Schwellwert VCT _P (vergleiche Fig. 3) erreicht hat. Bei Erreichen dieses Schwellwertes wird das Schaltelement 34 geschlossen, so das der Ladungsspeicher 15 mit Hilfe der Stromsenke 35 mit dem Strom I _ent bis auf den Spannungswert VCT _V entladen wird. Nach Erreichen des Schwell- wertes VCT _V wird das Schaltelement 34 wieder geöffnet, so dass das Laden des Ladungsspeichers 15 von neuem beginnt. Die Periodendauer T dieses Vorganges ist konstant. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 findet der Ladevorgang des Ladungsspeichers 15 über eine Zeitdauer ti und der Entla- devorgang über eine Zeitdauer t ₂ statt. Die Summe der Zeit ^¬ dauern ti und t ₂ bestimmt die Periodendauer T eines einzelnen „Sägezahns" .

Durch zusätzliches Einspeisen eines Zusatzstromes I _z , welcher von der externen Stromquelle 16 geliefert wird, kann die Pe ^¬ riodendauer T variiert werden. Der zusätzliche Strom I _z sorgt für eine schnellere Ladung des Ladungsspeichers 15 und damit für eine Verringerung der Zeitdauer ti. Durch das Vorsehen der externen Stromquelle 16 verändert sich auch die Zeitdauer t ₂ des Entladevorganges geringfügig, was für die vorliegende Betrachtung jedoch nur von untergeordneter Bedeutung ist. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Zeitdauer t ₂ et-

was länger wird. Insgesamt nimmt die Periodendauer T durch das Einspeisen des Stroms I _z ab, wodurch die Frequenz steigt.

Durch die Größe des Stromes I _z kann die Periodendauer T und damit die Frequenz eingestellt werden. Um eine Regelung zu ermöglichen, wird die Höhe des Stromes I _z durch das Regelsig ^¬ nal Vreg (vgl. Fig. 1) gesteuert, welches aus einer Last der Nutzschaltung 30 erhalten wird. Durch das Vorsehen der externen Stromquelle und die beschriebene Beschaltung kann der normalerweise festfrequent arbeitende PWM-Steuerschaltkreis 10 auch für eine Frequenzmodulation eingesetzt werden.

Die Berechnung des Steuerstromes I _x in Abhängigkeit von der Periodendauer T ist wie folgt:

_λ _ crivcτ _P -VCTy) _{und f2} cτjvcτ _P -vcτ _v ) _{( i )}

Ix Ient - Ix

wobei

T = tl + t2 ( 2 )

Setzt man Gleichung (1) in Gleichung (2) ein, ergibt sich:

CT - (VCT _P - VCT _V ) CT ^■ (VCT _P - VCT _V ) Ix Ient - Ix

Das Auflösen der Gleichung (3) nach I _x führt auf eine quadratische Gleichung:

, Ient ^■ CT - {y CT _p - VCT _y )

O = Ix ² - Ient Ix + ^ ^p - ^vJ - ( 4 )

T

I _x setzt sich aus dem Strom der zusätzlichen Stromquelle I _z und der internen Stromquelle I _RT zusammen.

Der Ladestrom I _x setzt sich damit aus dem Strom der zusätzli- chen Stromquelle 16 und der internen Stromquelle 32 zusammen

Die externe Stromquelle kann prinzipiell in beliebiger Weise aus diskreten Bauelementen realisiert werden. Fig. 4 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel der zusätzlichen Stromquel- Ie 16. Diese umfasst ein Halbleiterschaltelement 17 in Form eines Bipolar-Transistors . Der Kollektoranschluss des Bipo- lar-Transistors ist mit dem zweiten Anschluss 13 des in der Figur nicht dargestellten integrierten Bausteins 10 verbunden. Der Emitteranschluss des Bipolar-Transistors 17 ist über einen Widerstand 18 mit einem Versorgungspotentialanschluss 19 gekoppelt, an dem eine Versorgungsspannung VCC anliegt. Die Basis des Bipolar-Transistors 17 ist mit einem Mittelab ^¬ griff 22 eines Spannungsteilers, umfassend Widerstände 20 und 21 verbunden. Der andere Anschluss des Widerstandes 20 ist mit dem Versorgungspotentialanschluss 19 gekoppelt. Der ande ^¬ re Anschluss des Widerstandes 21 ist mit einem Anschluss für ein Regelsignal, in Form einer Spannung Vreg gekoppelt.

Die Spannung Vreg stellt die variable Ausgangsspannung eines Reglers der Nutzschaltung dar. über die Widerstände 20, 21 und die Spannung Vreg sowie die Versorgungsspannung VCC wird der Strom I ₂ eingestellt. Der Spannungsabfall V ₂ o über den Wi ^¬ derstand 20 erzwingt bei Vernachlässigung der Basis- Emitterspannung V _B E und gleich großen Widerständen 18, 20 ei- nen Emitterstrom I _E , der dem Strom I ₂ entspricht. Bei Vernachlässigung des geringen Basisstromes I _B gegenüber dem E- mitterstrom I _E ist der Kollektorstrom gleich groß wie der E- mitterstrom I _E . Dieser entspricht dem in den Ladungsspeicher 15 zusätzlich eingespeisten spannungsunabhängigen Strom I _z .

Durch das Vorsehen einer zusätzlichen, externen Stromquelle kann jeder integrierte PWM-Steuerschaltkreis beliebiger Her ^¬ steller für die Ansteuerung von Resonanzwandlern verwendet werden. Dabei sind alle in dem PWM-Steuerschaltkreis vorhan- denen Zusatzfunktionen, wie z.B. eine Unterspannungssperre, eine überstromabschaltung usw. weiter verwendbar und müssen nicht durch eine diskret aufgebaute Schaltung realisiert wer ^¬ den. Hierdurch lässt sich auf einfache und kostengünstige

Weise ein Frequenzmodulationsschaltkreis bereitstellen, der weiterhin gegenüber einer diskreten Lösung erheblich weniger Platz benötigt.