DE19524185B4

DE19524185B4 - Gleichrichterschaltung

Info

Publication number: DE19524185B4
Application number: DE19524185A
Authority: DE
Inventors: Norbert Primisser
Original assignee: Tridonicatco GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1995-07-03
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2015-07-04
Also published as: DE19524185A1

Abstract

Vollweg-Gleichrichterschaltung, insbesondere zum Gleichrichten einer einem integrierten Schaltkreis (IC) zuzuführenden Wechselspannung (U_e),
mit einem Eingangsanschluss, an dem die gleichzurichtende Eingangs-Wechselspannung (U_e) angelegt ist,
mit einem Ausgangsanschluss, an dem die gleichgerichtete Eingangsspannung (Ua) abgreifbar ist, und
mit einem Transistor (T₁) oder einer Diode (D₁), der oder die durch eine Referenzspannung (U_ref) vorgespannt und zwischen einer Versorgungsspannungsquelle (V_cc) und einem mit dem Eingangsanschluss verbundenen Widerstand (R, R₁) geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand (R, R₁) und dem Transistor (T₁) oder der Diode (D₁) mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist, so dass bei einer Halbwelle einer Polarität der Eingangs-Wechselspannung (U_e) der Transistor (T₁) oder die Diode (D₁) sperrt und dadurch die Halbwelle der einen Polarität am Ausgangsanschluss abgreifbar ist und bei einer Halbwelle entgegengesetzter Polarität der Eingangs-Wechselspannung (U_e) der Transistor (T₁) oder die Diode (D₁) leitet und dadurch am Ausgangsanschluss lediglich eine Nullspannung abgreifbar ist,
wobei der Transistor...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichrichterschaltung, insbesondere zum Einsatz in integrierten Schaltkreisen (IC), beispielsweise von solchen, die in elektronischen Vorschaltgeräten zum Betreiben von Gasentladungslampen eingesetzt sind.
Integrierte Schaltkreise werden aus Kostengründen vorzugsweise nur mit Versorgungsspannungen einer Polarität betrieben. Soll die integrierte Schaltung eine Wechselspannungs-Signalspannung, d. h. eine Signalspannung mit zwei Polaritäten, auswerten, so muß diese Wechselspannungs-Signalspannung gleichgerichtet werden. Die integrierte Schaltung reagiert dann nur auf die Amplitude der gleichgerichteten Spannung, die entweder durch Vollwellengleichrichtung oder durch Halbwellengleichrichtung aus der gleichzurichtenden Wechselspannung hervorgegangen ist.
10 zeigt eine bekannte Gleichrichterschaltung. Die in 10 dargestellte Gleichrichterschaltung umfaßt einen über einen Widerstand R von einer Eingangsspannung U_e angesteuerten Operationsverstärker OV₁. Als gleichrichtendes Element ist eine Diode D an den Ausgang des ersten Operationsverstärkers OV₁ geschaltet. Der als invertierender Verstärker ausgebildete erste Operationsverstärker OV₁ ist über einen Widerstand R_g gegengekoppelt. In Serie mit der Gleichrichterdiode D ist ein zweiter Operationsverstärker OV₂ geschaltet, der als Impedanzwandler bzw.
Spannungsfolger ausgebildet ist, d. h. sein Ausgang ist mit seinem negativen Eingang kurzgeschlossen. Der zweite Operationsverstärker OV₂ dient lediglich als Puffer-Verstärker und erleichtert die Weiterverarbeitung der gleichgerichteten Ausgangsspannung U_a dadurch, daß die Ausgangsspannung U_a niederohmig als Ausgangsspannung des Spannungsfolgers bzw. Impedanzwandlers OV₂ gemessen werden kann, und zwar gleichermaßen niederohmig für beide Halbwellen.
Bei der in 10 gezeigten Gleichrichterschaltung muß jedoch eine gleichzurichtende Eingangsspannung U_e zumindest den einen Operationsverstärker OV₁ durchlaufen, ehe eine gleichgerichtete Ausgangsspannung U_a am Ausgangsanschluß der Gleichrichterschaltung abgegriffen werden kann. Aufgrund der begrenzten internen Schaltzeiten des ersten Operationsverstärkers OV₁ ergibt sich daher eine relativ niedrige Grenzfrequenz im Bereich 1–10 kHz. Der lediglich als Puffer-Verstärker dienende zweite Operationsverstärker OV₂ hat auf die Grenzfrequenz der gesamten Gleichrichterschaltung im wesentlichen keinen Einfluß.
Aus der US 4,314,167 A ist eine Klemmschaltung bekannt, die einen zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Schaltung liegenden Widerstand sowie einen MOS-Transistor aufweist, der mit seiner drain-source-Strecke den Ausgang der Schaltung mit dem positiven Potential der Versorgungsspannungen verbindet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gleichrichterschaltung anzugeben, die insbesondere zum Betreiben von in elektronischen Vorschaltgeräten für Gasentladungslampen eingesetzten integrierten Schaltkreisen geeignet ist. Insbesondere soll die Gleichrichterschaltung eine höhere Grenzfrequenz aufweisen.
Die Erfindung wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß wird als gleichrichtendes Element ein Transistor oder eine Diode eingesetzt. Der Transistor oder die Diode ist zwischen eine Versorgungsspannungsquelle und einem mit dem Eingangsanschluß der Gleichrichterschaltung verbundenen Widerstand geschaltet. Der Ausgangsanschluß der Gleichrichterschaltung ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und dem Transistor bzw. der Diode verbunden. Eine gleichzurichtende Wechselspannung ist an dem Eingangsanschluß der Gleichrichterschaltung angelegt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Schaltung sperrt der Transistor bzw. die Diode bei einer Halbwelle der einen Polarität der Eingangs-Wechselspannung und die entsprechende Halbwelle kann am Ausgangsanschluß abgegriffen werden. Dagegen wird bei einer Halbwelle der entgegengesetzten Polarität der Eingangs-Wechselspannung der Transistor bzw. die Diode infolge dieser entgegengesetzten Polarität leitend geschaltet, so daß über den Transistor bzw. die Diode ein Strom fließen kann, wobei sich erfindungsgemäß am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und dem Transistor bzw. der Diode die Ströme aufheben. Daher ist am Ausgangsanschluß bei Auftreten einer Halbwelle der entgegengesetzten Polarität der Eingangs-Wechselspannung lediglich eine Nullspannung abgreifbar.
Erfindungsgemäß tritt somit am Ausgangsanschluß der Gleichrichterschaltung nur jede zweite Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung auf, d. h. die erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung führt eine Halbwellengleichrichtung durch. Erfindungsgemäß müssen die Halbwellen der gleichgerichteten Ausgangsspannung lediglich über den Widerstand, nicht jedoch über den Transistor oder die Diode laufen. Dadurch ergeben sich nur geringe Verzögerungen und mit der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung können daher Eingangs-Wechselspannungen bis zu 100 kHz gleichgerichtet werden.
Die an der Diode bzw. dem Transistor anliegende Referenzspannung ist vorzugsweise so groß wie die Emitter-Basis-Spannung des Transistors bzw. Anoden-Kathoden- Spannung der Diode. Neben dem Einsatz eines Bipolar-Transistors ist auch der Einsatz eines Feldeffekt-Transistors denkbar. In diesem Fall wird vorzugsweise die an dem Feldeffekt-Transistor anliegende Referenzspannung so groß wie die Gate-Source-Spannung bzw. Gate-Drain-Spannung des Feldeffekttransistors gewählt. Erfindungsgemäß wird die gewünschte Referenzspannung durch den Einsatz eines bezüglich der Eigenschaften des Transistors bzw. der Diode identischen weiteren Transistor bzw. einer identischen weiteren Diode erhalten. Im Falle eines bipolaren Transistors wird die Basis-Kollektor-Strecke des weiteren Transistors kurzgeschlossen und mit der Basis des gleichrichtenden Transistors verbunden, so daß die Emitter-Basis-Diode des zweiten Transistors zwischen der Basis des ersten als Gleichrichter dienenden Transistors und Masse zu liegen kommt. Bei Einsatz einer Diode als gleichrichtendes Element wird entsprechend die weitere Diode zwischen die erste Diode und Masse geschaltet. Auf analoge Weise wird bei Einsatz eines Feldeffekt-Transistors der weitere Feldeffekt-Transistor zwischen den als Gleichrichter dienenden ersten Feldeffekt-Transistor und Masse geschaltet. Zum Betreiben des zweiten Transistors bzw. der zweiten Diode wird dieser bzw. diese mit einem eingeprägten Strom versorgt.
Alternativ kann die Referenzspannung auch von einem entsprechend verschalteten Operationsverstärker geliefert werden.
Die erfindungsgemäße Halbwellen-Gleichrichterschaltung ist durch Ergänzung mit einer Widerstandsschaltung und einer Stromspiegelschaltung zu einer Vollweg-Gleichrichterschaltung ergänzt.
Die erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung wird insbesondere in einem elektronischen Vorschaltgerät zur Ansteuerung von Gasentladungslampen eingesetzt. Beispielsweise wird zur Messung des Lampenstromes der Gasentladungslampe gewöhnlich die an einem mit der Gasentladungslampe in Serie geschalteten Widerstand abfallenden Spannung gemessen und ausgewertet. Die an dem Widerstand abfallende Spannung dient dabei als Maß für den die Gasentladungslampe durchfließenden Lampenstrom. Auf Grundlage des ausgewerteten Lampenstroms wird mit Hilfe einer zentralen Steuereinheit, die gewöhnlich einen integrierten Schaltkreis bzw. einen Steuer-IC beinhaltet, die Frequenz eines den Lastkreis der Gasentladungslampe ansteuernden Wechselrichters eingestellt. Um höhere Verluste zu vermeiden, muß dabei der Meßwiderstand möglichst gering sein. An dem Meßwiderstand wird somit eine Wechselspannung mit sehr geringem Signalpegel abgegriffen. Mit Hilfe der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung können Wechselgrößen mit derartig geringem Signalpegel gleichgerichtet werden. Insbesondere lassen sich mit der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung Signalpegel verarbeiten, die unterhalb der Schwellenspannung von Transistoren bzw. Dioden liegen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschreiben. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung,
2 eine erste Variante des in 1 gezeigten ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
3 eine zweite Variante des in 1 gezeigten ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
4 eine dritte Variante des in 1 gezeigten ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
5 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung,
6 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung,
7 einen erfindungsgemäßen Vollwellen-Gleichrichter mit der in 5 gezeigten erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung,
8 einen erfindungsgemäßen Vollwellen-Gleichrichter mit der in 1 oder 2 gezeigten erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung,
9 Signalverläufe bei den, in 7 und 8 gezeigten Vollwellen-Gleichrichterschaltungen,
10 eine bekannte Gleichrichterschaltung und
11 die Anwendung der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung in einem elektronischen Vorschaltgerät.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung.
An den Eingangsanschluß der Gleichrichterschaltung wird eine gleichzurichtende Eingangs-Wechselspannung U_e angelegt. Zwischen den Emitter eines npn-Transistors T₁ und einen Eingangsanschluß ist ein Widerstand R geschaltet. Die Basis des Transistors T₁ wird mithilfe einer Referenzspannung U_ref gegenüber Masse festgehalten. Der Kollektor des Transistors T₁ liegt an einer Versorgungsspannung V_CC.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung ist folgende:
Bei jeder positiven Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung ist die Basis-Emitter-Diode des npn-Transistors T₁ sperrgepolt. In diesem Fall sperrt der Transistor T₁ und die entsprechende Halbwelle kann an dem mit dem Emitter des Transistors T₁ verbundenen Ausgangsanschluß der Gleichrichterschaltung abgegriffen werden. Bei einer negativen Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung U_e wird dagegen die Basis-Emitter-Diode des npn-Transistors T₁ flußgepolt, so daß der Transistors T₁ leitend ist. Über den Transistor T₁ fließt somit ein Strom, der den über den Widerstand R fließenden Strom kompensiert, so daß am Ausgangsanschluß eine Nullspannung abgegriffen wird. Erfindungsgemäß wird somit jede zweite Halbwelle über den Transistor T₁ ausgefiltert, so daß am Ausgang eine mit jeder zweiten Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung gleichgerichtete Ausgangsspannung U_a auftrifft.
Selbstverständlich kann der eingesetzte Transistor T₁ auch ein pnp-Transistor sein, wobei dann entsprechend jede negative Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung U_e ausgefiltert wird. Mithilfe der an der Basis des Transistors T₁ anliegenden Referenzspannung wird die Basis-Emitter-Diode des Transistors T₁ in Durchlaßrichtung vorgespannt. Somit kann durch entsprechende Dimensionierung der Referenzspannung U_ref, z. B. Wahl der Referenzspannung knapp unterhalb der Schwellenspannung der Basis-Emitter-Diode, das Schaltverhalten des Transistors T₁ so eingestellt werden, daß auch Spannungen mit sehr geringen Signalpegeln, insbesondere mit Signalpegeln, die unterhalb der Schwellenspannung von Transistoren bzw. Dioden liegen, verarbeitet werden können. Aufgrund der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung können Eingangs-Wechselspannungen mit einer Frequenz von bis zu 100 kHz gleichgerichtet werden.
2 und 3 zeigen Varianten eines ersten Ausführungsbeipiels der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung.
Es ist wünschenswert, daß die an der Basis des Transistors T₁ anliegende Referenzspannung U_ref so groß wie die Emitter-Basis-Spannung des Transistors T₁ ist.
Wie in 2 gezeigt, kann dies beispielsweise dadurch realisiert werden, daß ein weiterer Transistor T₂ verwendet wird, der hinsichtlich seiner Eigenschaften dem als Gleichrichter dienenden ersten Transistor T₁ enspricht. Die Basis-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors T₂ ist kurzgeschlossen und mit der Basis des ersten Transistors T₁ verbunden. Auf diese Weise kommt die Emitter-Basis-Diode des zweiten Transistors T₂ zwischen der Basis des ersten Transistors T₁ und Masse zu liegen. Zum Betreiben des zweiten Transistors wird dieser mit einem eingeprägten Strom einer eingeprägten Stromquelle I_ref betrieben.
Im einfachsten Fall kann als Stromquelle ein vorzugsweise hochohmiger Widerstand dienen. 3 zeigt eine entsprechende Variante der in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung, wobei als Stromquelle ein Widerstand R_ref eingesetzt wird, so daß der zur Erzeugung der Referenzspannung U_ref dienende zweite Transistor T₂ mit einem eingeprägten Strom versorgt wird.
4 zeigt eine dritte Variante der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zur Erzeugung der Referenzspannung U_ref ein Operationsverstärker OV vorgesehen, der zwischen Basis und Emitter des Transistors T₁ geschaltet ist. Der positive Eingang des Operationsverstärkers liegt an Masse. Wie bei den in 1–3 gezeigten Beispielen der erfindungsgemäßen Schaltung wird auch bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel die gleichgerichtete Ausgangsspannung U_a am Emitter des Transistors T₁ abgegriffen, so daß die am Ausgangsanschluß der Gleichrichterschaltung auftretenden Halbwellen nicht über den Transistor T₁, sondern lediglich über einen Widerstand R laufen müssen. Bei der in 10 gezeigten bekannten Gleichrichterschaltung muß dagegen die gleichzurichtende Eingangs-Wechselspannung U_e sämtliche Stufen des Operationsverstärkers OV₁ durchlaufen, so daß die Grenzfrequenz durch die internen Schaltzeiten des Operationsverstärkers OV₁ beschränkt ist. Auch die in 4 gezeigte erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung arbeitet im Vergleich mit der bekannten Gleichrichterschaltung bei erheblich höheren Frequenzen.
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung.
Wie in 5 gezeigt, wird als gleichrichtendes Element ein Feldeffekt-Transistor T₁ eingesetzt. Die in 5 gezeigte Schaltung mit Feldeffekt-Transistoren entspricht der in 2 dargestellten Schaltung mit Bipolar-Tranistoren. Auf eine wiederholte Erläuterung der Funktionsweise der Schaltung wird daher verzichtet.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Feldeffekt-Transistors T₁ mit seinem Drain-Anschluß mit der Versorgungsspannungsquelle V_CC und mit seinem Source-Anschluß mit dem Widerstand R verbunden. Analog zu der in 2 gezeigten Schaltung, ist auch in 5 zur Erzeugung der Referenzspannung U_ref am Gate-Anschluß des Transistors T₁ eine eingeprägte Stromquelle I_ref zur Ansteuerung eines mit dem ersten Transistor T₁ wesensgleichen zweiten Transistors T₂ vorhanden. Der Drain-Anschluß ist mit dem Gate-Anschluß des zweiten Transistors T₂ verbunden. Der Source-Anschluß des Transitors T₂ liegt an Masse.
Alternativ können selbstverständlich anstelle der in 5 gezeigten n-Kanal-Feldeffekt-Transistoren T₁ und T₂ auch p-Kanal-Feldeffekt-Transistoren eingesetzt werden, wobei dann bezüglich des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels jeweils die Halbwelle mit entgegengesetzter Polarität ausgefiltert werden. Ebenso können bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel die Drain-Anschlüsse der Transistoren T₁ und T₂ mit den Source-Anschlüssen vertauscht werden.
Zur Erzeugung der Referenzspannung U_ref kann die in 5 gezeigte Schaltung selbstverständlich auch durch die in 3 und 4 bezüglich der Bipolar-Transistoren dargestellten Varianten ersetzt werden.
6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung, wobei als gleichrichtendes Element lediglich eine Diode D₁ eingesetzt ist.
Die Diode D₁ ist mit ihrer Anode mit der Versorgungsspannungsquelle I_ref und mit ihrer Kathode mit dem Widerstand R und dem Ausgangsanschluß der Gleichrichterschaltung verbunden. Eine zweite Diode D₂ wird von der eingeprägten Stromquelle I_ref angesteuert und ist anodenseitig mit der Anode der ersten Diode D₁ und kathodenseitig mit Masse verbunden. Die zweite Diode D₂ ist zu der ersten Diode D₁ wesensgleich, so daß die durch die eingeprägte Stromquelle I_ref hervorgerufene Referenzspannung U_ref, die der Anode-Kathode-Spannung der zweiten Diode D₂ entspricht, stets so groß wie die Anode-Kathode-Spannung der Diode D₁ ist.
Die Funktionsweise der in 6 gezeigten Schaltung entspricht im wesentlichen der Funktionsweise der in 2 und 5 dargestellten Schaltungen, wobei die in 2 gezeigten Transistoren T₁ und T₂ auf ihre Basis-Emitter-Dioden D₁ und D₂ reduziert wurden. Auch das in 6 gezeigte dritte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel kann selbstverständlich entsprechend den in 3 und 4 gezeigten Varianten abgeändert werden.
Mit den in 1–6 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten wird jeweils die Funktion eines Halbwellen-Gleichrichters realisiert. Die in den 1–6 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungen lassen sich jedoch auch zu einem Vollwellen-Gleichrichter ergänzen. Dies soll nachfolgend unter Bezugnahme auf 7 und 8 näher erläutert werden.
7 zeigt den Einsatz des in 5 dargestellten erfindungsgemäße Ausführungsbeispiels mit Feldeffekt-Transistoren T₁ und T₂ in einer Vollwellen-Gleichrichterschaltung. 8 zeigt die entsprechende Vollwellen-Gleichrichterschaltung mit bipolaren Transistoren (vergl. 2). Die in 7 bzw. 8 gezeigte Vollwellen-Gleichrichterschaltung geht auf das in 5 bzw. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel mit Feldeffekt-Transistoren bzw. Bipolar-Transistoren zurück, wobei die in 5 bzw. 2 dargestellte erfindungsgemäße Halbwellen-Gleichrichterschaltung durch den zusätzlichen Einsatz von Widerständen R₂–R₄ sowie einer Stromspiegel-Schaltung mit Feldeffekt-Transistoren T₃ und T₄ für Vollweggleichrichtung angepaßt worden ist. Die Funktion der in 7 und 8 dargestellten erfindungsgemäßen Vollweg-Gleichrichterschaltungen sollen nachfolgend kurz erläutert werden.
Für die Widerstände R₁–R₄ gilt bevorzugt R₁ = R₂ sowie R₃ = R₄ und für die Widerstandsverhältnisse R₁/R₃ und R₂/R₄ gilt bevorzugt R₁/R₃ = R₂/R₄ ≦ 1/10. Bei den in 7 bzw. 8 gezeigten Ausführungsbeispielen werden als Transistoren T₁ und T₂ n-Kanal-Feldeffekt-Transistoren bzw. npn-Bipolar-Transistoren eingesetzt. Liegt eine positive Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung U_e am Eingangsanschluß der in 7 und 8 dargestellten Vollweg-Gleichrichterschaltung an, so sperren daher die Transistoren T₁ und die entsprechende positive Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung U_e ist am Ausgang der Gleichrichterschaltung abgreifbar, infolge des Spannungsteilers (R₁ + R₃)/(R₂ + R₄) jedoch nur in halber Größe. Liegt dagegen am Eingangsanschluß eine negative Halbwelle an, so werden infolge des Zusammenspiels von I_ref und T₂ die Transistoren T₁ wie zuvor beschrieben leitend gesteuert. Durch die Transistoren T₁ fließt somit ein Strom I₁, der aufgrund der Verschaltung der identischen Transistoren T₂ und T₄, die einen Stromspiegel bilden, in identischer Größe in Form des Stromes I₂ auch über die Widerstände R₄ und R₃ geführt wird. Die Widerstände R₃ und R₄ wirken als Spannungsteiler, so daß wiederum am Ausgangsanschluß der Gleichrichterschaltung die entsprechende Halbwelle der Eingangs-Wechselspannung in halber Größe abgegriffen werden kann. Die in 7 und 8 dargestellten Gleichrichterschaltungen liefern somit die Funktion eines Vollweg-Gleichrichters.
9 zeigt Signalverläufe, bei den in 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vollweg-Gleichrichterschaltung. Aus 9a) ist ersichtlich, daß am Ausgangsanschluß eine vollwellen-gleichgerichtete Spannung U_a in der Höhe der halben Eingangsspannung U_e abgegriffen werden kann. 9b) zeigt des Verlauf der am Widerstand R₂ abfallenden Spannung U_R2 im Verhältnis zu der Eingangs-Wechselspannung U_e.
Es sei darauf hingewiesen, daß die in 7 und 8 dargestellte Variante zur Erzeugung der Referenzspannung U_ref mit Hilfe der eingeprägten Stromquelle I_ref und der zu den Transistoren T₁ wesensgleichen Transistoren T₂ auch durch die in den
1, 3 und 4 gezeigten Varianten ersetzt werden kann. Ebenso können selbstverständlich die Transistoren T₁ und T₂ entsprechend durch p-Kanal-Feldeffekt-Transistoren bzw. pnp-Bipolar-Transistoren ersetzt werden. Durch entsprechende Wahl der Widerstände R₁–R₄ bzw. der Widerstandsverhältnisse R₁/R₃ und R₂/R₄ kann die Größe der Ausgangs-Wechselspannung U_a gegenüber der Eingangs-Wechselspannuing U_e variiert werden.
Wie bereits erwähnt, wird vorzugsweise die erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung in integrierten Schaltkreisen (IC) in elektronischen Vorschaltgeräten zur Steuerung von Gasentladungslampen eingesetzt. 11 zeigt eine rein schematische Darstellung einer entsprechenden Schaltungsanordnung.
Ein elektronisches Vorschaltgerät 100 umfaßt in der Regel einen Vollweggleichrichter 101, der wiederum einen Wechselrichter 102 ansteuert. Die Einheit 101 kann neben dem Vollweggleichrichter auch Filter- oder Glättungskomponenten aufweisen. Der Wechselrichter umfaßt beispielsweise zwei abwechselnd schaltbare MOS-FET, so daß abhängig von der von dem Gleichrichter 101 gelieferten Gleichspannung am Ausgang des Wechselrichters 102 eine hochfrequente Wechselspannung an einen Lastkreis 107 abgegeben wird. Der Lastkreis 106 weist einen Serienresonanzkreis mit einer Spule L und einem Kondensator C auf, wobei parallel zu dem Kondensator die anzusteuernde Gasentladungslampe 103 geschaltet ist. Die Gasentladungslampe 103 wird gezündet, indem die Frequenz der von dem Wechselrichter 102 gelieferten Ausgangsspannung in die Nähe der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises verschoben wird. Durch Entfernen der Frequenz von der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises kann die angeschlossene Gasentladungslampe 103 gedimmt werden. Die Frequenz des Wechselrichters 102 wird von einer Steuereinheit 105 mit einem integrierten Schaltkreis (IC) gesteuert. Um die Helligkeit der angeschlossenen Gasentladungslampe 103 jeweils den augenblicklichen Betriebsbedingungen anzupassen, werden verschiedene Lampenparameter überwacht. Der prinzipielle Aufbau eines derartigen elektronischen Vorschaltgerätes ist beispielsweise aus der EP 0 338 109 B1 der Anmelderin bekannt. Neben bestimmten Betriebsparametern des Lastkreises 106 kann auch das Betriebsverhalten, z. B. Ein- oder Ausschalten der Gasentladungslampe 103, von der Steuereinheit 105 gesteuert werden. Beispielhafte zu überwachende Betriebsparameter sind die Lampenspannung oder der Lampenstrom.
Gewöhnlich wird zur Messung des Lampenstroms ein in Serie mit der Gasentladungslampe 103 geschalteter Shunt-Widerstand R_L eingesetzt. Die an dem Widerstand R_L abgegriffene Spannung ist proportional zu dem den Widerstand durchfließenden Lampenstrom. Die abgegriffene Spannung wird an die Steuereinheit 105 weitergeleitet, die abhängig von dem erfaßten Betriebsparameterwert die Frequenz des Wechselrichters 102 steuert und somit die Lampenhelligkeit entsprechend einstellt. Wie bereits erwähnt, werden jedoch integrierte Schaltkreise vorzugsweise aus Kostengründen nur mit einer Versorgungsspannung einer Polarität betrieben, so daß das an dem Widerstand R_L abgegriffene Wechselspannungssignal zunächst mithilfe eines Gleichrichters 104 gleichgerichtet werden muß, ehe es der Steuereinheit 105 mit dem integrierten Schaltkreis IC zugeführt werden kann. Der Gleichrichter 104 umfaßt dabei die in den 1–8 gezeigten erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltungen, so daß Wechselspannungen mit bis zu 100 kHz verarbeitet werden können.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung weist jedoch gegenüber den bekannten Gleichrichterschaltungen noch einen weiteren erheblichen Vorteil auf. Damit höhere Verluste wirksam vermieden werden können, wird in der Regel ein niederohmiger Meßwiderstand R_L gewählt. Die Gleichrichtung von Spannungen, deren Signalpegel sehr gering ist, ist mit den bekannten Gleichrichterschaltungen sehr aufwendig und schwierig. Mithilfe der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung können jedoch auf einfache Art und Weise Wechselspannungen mit geringen Signalpegeln, insbesondere solche, deren Signalpegel sogar unterhalb der Schwellenspannung von Transistoren und Dioden liegt, gleichgerichtet werden. Bei derart geringen Signalpegeln würde der Einsatz eines normalen bekannten Halbleiter-Gleichrichters fehlschlagen, da die Schwellenspannung des Halbleiter-Gleichrichters größer als der Signalpegel ist. Erfindungsgemäß kann jedoch mit Hilfe der Referenzspannung U_ref die Basis des in den 1–4 gezeigten Transistors T₁ bzw. der Gate-Kontakt des in 5 dargestellten Transistors T₁ bzw. der pn-Übergang der in 6 gezeigten Diode D₁ vorgespannt werden. Auf diese Weise ist bei entsprechender Vorspannung eine Gleichrichtung bereits für Signalpegel unterhalb der Schwellenspannung von Transistoren oder Dioden möglich.
Die Erfindung liefert somit einen Präzision-Gleichrichter mit einer sehr hohen Grenzfrequenz, der auch für Wechselspannungssignale mit einem sehr niedrigen Signalpegel funktionsfähig ist.

Claims

Vollweg-Gleichrichterschaltung, insbesondere zum Gleichrichten einer einem integrierten Schaltkreis (IC) zuzuführenden Wechselspannung (U_e), mit einem Eingangsanschluss, an dem die gleichzurichtende Eingangs-Wechselspannung (U_e) angelegt ist, mit einem Ausgangsanschluss, an dem die gleichgerichtete Eingangsspannung (Ua) abgreifbar ist, und mit einem Transistor (T₁) oder einer Diode (D₁), der oder die durch eine Referenzspannung (U_ref) vorgespannt und zwischen einer Versorgungsspannungsquelle (V_cc) und einem mit dem Eingangsanschluss verbundenen Widerstand (R, R₁) geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand (R, R₁) und dem Transistor (T₁) oder der Diode (D₁) mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist, so dass bei einer Halbwelle einer Polarität der Eingangs-Wechselspannung (U_e) der Transistor (T₁) oder die Diode (D₁) sperrt und dadurch die Halbwelle der einen Polarität am Ausgangsanschluss abgreifbar ist und bei einer Halbwelle entgegengesetzter Polarität der Eingangs-Wechselspannung (U_e) der Transistor (T₁) oder die Diode (D₁) leitet und dadurch am Ausgangsanschluss lediglich eine Nullspannung abgreifbar ist, wobei der Transistor (T₁) mit dem Eingangsanschluss einer Stromspiegel-Schaltung (T₃, T₄) verbunden und über die Stromspiegel-Schaltung (T₃, T₄) mit der Versorgungsspannung (V_cc) verbunden ist und der Ausgangsanschluss der Stromspiegel-Schaltung (T₃, T₄) über eine Widerstandsschaltung (R₂, R₃, R₄) mit dem Ausgangsanschluss der Gleichrichterschaltung verbunden ist (7, 8).
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (T₁) ein Bipolar-Transistor ist, dessen Emitter mit dem Widerstand (R, R₁), dessen Kollektor mit der Versorgungsspannungsquelle (V_cc) und dessen Basis mit der Referenzspannung (U_ref) verbunden ist (1–3).
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Referenzspannung (U_ref) gleich der Emitter-Basis-Spannung des Bipolar-Transistors (T₁) ist.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (U_ref) die Emitter-Basis-Spannung eines weiteren Bipolar-Transistors (T₂) ist, der zu dem Transistor (T₁) wesensgleich ist (2–3).
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis-Kollektor-Diode des weiteren Transistors (T₂) kurzgeschlossen und mit der Basis des Transistors (T₁) verbunden ist, und dass der weitere Transistor (T₂) durch eine eingeprägte Stromquelle (I_ref) betrieben wird.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als eingeprägte Stromquelle (I_ref) ein zwischen der Basis des weiteren Transistors (T₂) und der Versorgungsspannung (V_cc) angeschlossener Widerstand (R_ref) wirkt.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzspannungsquelle (U_ref) ein Operationsverstärker (OV) vorgesehen ist (4).
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (OV) mit dem Emitter des Transistors (T₁) und der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers (OV) mit der Basis des Transistors (T₁) verbunden ist.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (T₁) ein Feldeffekt-Transistor ist, dessen Source- bzw. Drain-Anschluss mit dem Widerstand (R), dessen Drain- bzw. Source-Anschluss mit der Versorgungsspannungssquelle (V_cc) und dessen Gate-Anschluss mit der Referenzspannung (U_ref) verbunden ist (5).
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (U_ref) gleich der Gate-Source-Spannung bzw. Gate-Drain-Spannung des Feldeffekttransistors (T₁) ist.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (U_ref) die Gate-Source-Spannung bzw. Gate-Drain-Spannung eines weiteren Feldeffekt-Transistors (T₂) ist, der zu dem Feldeffekt-Transistor (T₁) wesensgleich ist.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gate-Kontakt des weiteren Feldeffekt-Transistors (T₂) mit seinem Drain-Kontakt bzw. seinem Source-Kontakt kurzgeschlossen und mit dem Gate-Kontakt des Feldeffekt-Transistors (T₁) verbunden ist, und dass der weitere Feldeffekt-Transistor (T₂) durch eine eingeprägte Stromquelle (I_ref) betrieben wird.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als eingeprägte Stromquelle (I_ref) ein zwischen dem Gate-Kontakt des weiteren Feldeffekt-Transistors (T₂) und der Versorgungsspannung (V_cc) angeschlossener Widerstand (R_ref) wirkt.
Vollweg-Gleichricherschaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzspannungsquelle (U_ref) ein Operationsverstärker (OV) vorgesehen ist.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (OV) mit dem Source- bzw. Drain-Kontakt des Feldeffekt-Transistors (T₁) und der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers (OV) mit dem Gate-Kontakt des Feldeffekt-Transistors (T₁) verbunden ist.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (D₁) anodenseitig bzw. kathodenseitig mit der Versorgungsspannungsquelle (V_cc) sowie kathodenseitig bzw. anodenseitig mit dem Widerstand (R) verbunden ist (6).
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (U_ref) gleich der Anoden-Kathoden-Spannung bzw. der Kathoden-Anoden-Spannung der Diode (D₁) ist.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (U_ref) die Anoden-Kathoden-Spannung bzw. die Kathoden-Anoden-Spannung einer weiteren Diode (D₂) ist, die zu der Diode (D₁) wesensgleich ist.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Diode (D₂) anodenseitig mit der Anode der Diode (D_i) bzw. kathodenseitig mit der Kathode der Diode (D₁) verbunden ist, und dass die weitere Diode (D₂) durch eine eingeprägte Stromquelle (I_ref) betrieben wird.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als eingeprägte Stromquelle (I_ref) ein zwischen der Anode bzw. Kathode der weiteren Diode (D₂) und der Versorgungsspannung (V_cc) angesehlossener Widerstand (R_ref) wirkt.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzspannungsquelle (U_ref) ein Operationsverstärker (OV) vorgesehen ist.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (OV) mit der Kathode bzw. Anode der Diode (D₁) und der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers (OV) mit der Anode bzw. Kathode der Diode (D₁) verbunden ist.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsanschluss der Stromspiegel-Schaltung (T₃, T₄) über einen zweiten Widerstand an Masse gelegt ist, dass zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Widerstand (R₁) der Gleichrichterschaltung ein dritter Widerstand (R₃) geschaltet ist, und dass der Ausgangsanschluss der Stromspiegel-Schaltung (T₃, T₄) über einen vierten Widerstand (R₄) mit dem Ausgangsanschluss der Gleichrichterschaltung verbunden ist.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass gilt R₁/R₃ = R₂/R₄, insbesondere R₁ = R₂ und R₃ = R₄, wobei R₁ den Widerstandswert des einen Widerstands und R₂, R₃ bzw. R₄ den Widerstandswert des zweiten, dritten bzw. vierten Widerstands darstellt.
Vollweg-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass gilt R₁/R₃ = R₂/R₄ ≤ 1/10.
Elektronisches Vorschaltgerät mit einer Vollweg-Gleichrichterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Wechselrichter (102) zum Ansteuern der in einem Lastkreis (106) angeordneten Gasentladungslampe (103), und mit einer Steuereinheit (105) mit einem integrierten Schaltkreis (IC) zur Steuerung der Frequenz des Wechselrichters bzw. des Betriebsverhaltens der angeschlossenen Gasentladungslampe (103) abhängig von einer oder mehreren erfassten Parametergrößen (n) des Lastkreises und/oder des elektronischen Vorschaltgerätes, wobei an den Eingangsanschluss der Gleichrichterschaltung (104) eine zu erfassende Parametergröße des Lastkreises (106) und/oder des elektronischen Vorschaltgerätes (100), insbesondere der Lampenstrom, angelegt ist und der Ausgangsanschluss der Gleichrichterschaltung (104) mit der Steuereinheit (105) verbunden ist, um ein der gemessenen Wechselspannungs-Parametergröße entsprechendes Gleichspannungssignal an die Steuereinheit (105) abzugeben.