BE1008184A3 - Gestabiliseerde stroomvoeding met lage impedantie. - Google Patents

Abstract

Bij traditionele gelijkstroomvoedingen wordt de transformator slechts gedurende een klein gedeelte van zijn werkcyclus belast. De afvlakcondensatoren worden elke cyclus stootsgewijs bijgeladen door de dioden van de gelijkrichter, wat de oorzaak is van de typische zaagtandvormige rimpelspanning die zich superponeert op de gelijkspanning. Het grooste deel van de tijd zijn het bijgevolg slechts de afvlakcondensatoren die de eigenlijke voeding vormen en hun kwaliteit zal de kwaliteit van de voeding rechtstreeks bepalen. Tevens ontstaan door het afwisselend geleiden en sperren van de gelijkrichtdioden stoorpulsen en harmonischen, zowel op de aangesloten belasting als op het wisselspanningsnet. De hier beschreven uitvinding heeft voornoemde nadelen niet. Op de secundaire aansluitingen van een transformator of wisselstroomgenerator worden condensatoren aangesloten (C1 t/m. C4) die gedurende een halve periode opgeladen worden via dioden (D1 t/m. D4), of in serie staan met een secundaire aansluiting. Dit gebeurt afwisselend (vb. met de paren C1/D1 en C2/D2), zodat steeds een combinatie per pool oplaadt en een andere tegenlijk stroom afgeeft aan de belasting.

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



  Gestabiliseerde stroomvoeding met lage impedantie De uitvinding betreft een gestabiliseerde gelijkstroomvoeding met lage inwendige impedantie en zeer lage (sinusvormige) rimpelspanning. De voeding is vrij van zaagtandvormige rimpelspanning en schakelpulsen van dioden. Zij is, in een juist gedimensioneerde vorm, bruikbaar voor alle gevallen waarbij een electrische wisselspanning omgezet wordt met behulp van transformatoren, of opgewekt wordt met wisselspanningsgeneratoren en vervolgens gelijkgericht moet worden. 



  In de huidige stand van de techniek zijn enkelzijdige, dubbelzijdige en bruggelijkrichting genoegzaam bekend. De gelijkrichting geschiedt met behulp van dioden onder de vorm van   halfgeleiders of electronenbuizen.   Een veel gebruikte schakeling is de bruggelijkrichter of de Brug van Graetz. Indien afvlakking van de gelijkgerichte wisselstroom gewenst is, gebeurt dit met condensatoren, al of niet voorafgegaan door weerstanden. Door het op een bepaalde manier schakelen van dioden en condensatoren kan men ook spanningsvermenigvuldiging bekomen. Er wordt zowel van gestabiliseerde als van ongestabiliseerde voedingen gebruik gemaakt. Stabilisatie gebeurt meestal met transistoren, zenerdioden of geïntegreerde spanningsregelaars. Daarnaast bestaan er ook nog geschakelde voedingen die vooral in computers toegepast worden. 



  Voor bepaalde hoogkwalitatieve toepassingen vertonen de bestaande voedingen nog heel wat nadelen. De resterende   rimpelspanning   kan onder zware belasting oplopen tot ettelijke volts en is bovendien zaagtandvormig. Met zware condensatoren kan de   rimpelspanning   gereduceerd, doch niet volledig weggewerkt worden. Naargelang de toegepaste gelijkrichting kan deze rimpelspanning een frequentie hebben die gelijk is aan, of het dubbele bedraagt van de frequentie van de gebruikte wisselspanning. Daamaast veroorzaakt het in geleidings- of in spertoestand overgaan van de dioden   storingsimpulsen, zowel   naar de aangesloten belasting als naar het wisselspanningsnet waarop de voeding werkt. Het opwekken van harmonischen op het openbaar spanningsnet is een gekend probleem en er bestaat zelfs een Europese norm voor (E. E. C.

   EN60555-2) die niet mag overschreden worden. Het stootsgewijze bijladen van de condensatoren via dioden tijdens elke cyclus is er ook de oorzaak van dat de transformator of generator niet gedurende de volledige periode belast wordt (ca. 10% max. van de sinusgolfamplitude). 



  Voomamelijk bij audio-versterkers vallen de nadelen op van   zowel   gestabiliseerde als ongestabiliseerde voedingen. In de wetenschap dat de   klankkwalitelt   rechtstreeks afhangt van de kwaliteit van de voeding, zoeken   vele specialisten   nog steeds naar de ideale voeding. De ongestabiliseerde voeding vergt grote condensatoren om de   nmpelspanning   te onderdrukken en de 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 spanning daalt zodra de belastingsstroom toeneemt. De gestabiliseerde voeding werkt de rimpelspanning nooit volledig weg en de toegepaste stabilisatoren wijzigen voortdurend de impedantie van de voeding doordat zij steeds de spanningsfluctuaties aan het compenseren zijn.

   Voor andere toepassingen   zoals CD-spelers,   tuners, voorversterkers, videotoestellen, compu-   ters,   medische apparatuur, signalisatie, lucht- en ruimtevaart, enz. is vooral de aanwezigheid van stoorpulsen en harmonischen te mijden. 



  Alle hogervernoemde problemen worden opgelost bij gebruik van de voorgestelde uitvinding. 



  Dit biedt volgende voordelen :   *)   In apparatuur die zeer gevoelig is aan spanningspieken en stroompulsen in de voeding, zijn geen dure filterschakelingen meer nodig (vb. compact disc spelers, rekenmachines, com- puters, medische apparatuur, enz.). 



    'De   nieuwe schakeling dient, wegens haar opzet, het vermogen eerder te beperken dan te compenseren. De condensatoren worden als het ware uitgeknepen tussen de transforma- tor en de belasting. Hierdoor heeft hun effectieve serieweerstand minder belang. 



    . Het welbekende schakelen   van gelijkrichtdioden met aangesloten   belasting,   treedt niet op. 



   Bijgevolg worden ook geen harmonischen opgewekt. De dioden worden uitsluitend gebruikt voor het opladen van condensatoren die op dat moment geen stroom afleveren. 



    . Een belangrijke   vermindering van de afmetingen en van de condensatorwaarden kan ge- realiseerd worden. 



    'Bij   toepassing in stereo-eindversterkers volstaat het, de spanningsregelaars en de erop volgende dioden en buffercondensatoren te ontdubbelen per kanaal. De enorme stroomre- serve van de schakeling maakt het gebruik van een transformator per kanaal overbodig. 



    *   Bij stijgende belastingsstroom daalt de uitgangsspanning niet. 



  De uitvinding wordt hierna in detail beschreven in slechts een van haar mogelijke uitvoeringen, met verwijzing naar de tekeningen in bijlage. Figuur nr. 1 toont een   traditionele   ongestabiliseerde voeding. Figuur 2 toont het principeschema van de uitvinding. Het schema van figuur 1 werd met sukses vervangen door dat van figuur 2 in een audio-eindversterker van 2 X 200W RMS. Beide voedingen leverden 2 X 80   VDC.   



  Het hart van de schakeling wordt gevormd door D1, C1, D2, C2, D3, C3, D4 en   C4.   



  De condensatoren   c1   t/m. C4 worden opgeladen tot een spanningsniveau U door de gelijkrichtdioden   01   t/m. D4. Laten we even de   evolutie   nagaan van aansluiting 4 van de transformator. Wanneer deze aansluiting haar meest negatieve waarde bereikt heeft, dan heeft aansluiting 3 haar meest positieve waarde bereikt.   c1   is dan opgeladen via D1 en C4 is dan opgeladen via D4. Zodra de spanning op   aanstuiting   4 in tegengestelde zin evolueert (het stijgende 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 deel van de sinusgolf vanaf de meest negatieve waarde, doorheen het nulpunt, tot de meest positieve waarde), zal condensator C1 in serie komen te staan met deze spanning.

   Aangezien C1 geladen is met een spanningsniveau U, is de maximum spanning die theoretisch kan bereikt worden gelijk aan 2U (zonder belasting). 



  Hetzelfde gebeurt, maar dan in de tegengestelde zin, met aansluiting 3 en C4. De combinaties D2/C2 en D3/C3 werken identiek voor de andere   periodehelft.   



  De positieve stromen van C1 en C2 worden doorheen blokkeerdioden D5 en D6 gevoerd, de negatieve stromen van C3 en C4 worden doorheen blokkeerdioden D7 en D8 gevoerd. De combinatie   R 1,   C5, D9 (zener) en T1 vormt een automatische positieve spanningsregelaar, de combinatie van R2, C6, D10 (zener) en T2 vormt een automatische negatieve spanningsregelaar. De condensatoren C7 en   C8   zorgen voor een laatste filter- en bufferwerking op de aan-   sluitklemmen   van de belasting. D11 en D12 dienen als beveiligingsdioden, welke verhinderen dat er stromen in omgekeerde richting doorheen T1 en T2 gaan lopen na het uitschakelen van de voeding. 



  De transistors T1 en T2 werden in het schema getekend als enkelvoudige transistors. Alhoewel een goede werking mogelijk is met enkelvoudige transistors, werd dit gedaan om de tekening te vereenvoudigen en het principe te verduidelijken. In werkelijkheid werden in plaats van T1 en van T2 telkens drie vermogenstransistoren paralel geschakeld. Beide reeksen   (T1   en T2) werden op hun beurt aangestuurd door andere transistoren in een"Darlington"-schakeling.

Claims (3)

1. Conclusies 1. De uitvinding betreft een gestabiliseerde gelijkstroomvoeding met lage inwendige impedantie en zeer lage (sinusvormige) rimpelspanning. De voeding is vrij van zaagtandvormige rimpelspanning en schakelpulsen van dioden. Zij is, in een juist gedimensioneerde vorm, bruikbaar voor alle gevallen waarbij een electrische wisselspanning omgezet wordt met behulp van transformatoren, of opgewekt wordt met wisselspanningsgeneratoren en vervolgens gelijkgericht moet worden. De condensatoren C1 tim. C4 welke afwisselend opgeladen worden of in serie staan met de secundaire aansluitingen van de transformator, kunnen hoge stromen leveren gedurende de volledige werkcyclus van de transformator.

   Als rechtstreeks gevolg van dit principe, wordt de uitvinding gekenmerkt door de afwezigheid van harmonischen en van de typische "zaagtand" rimpelspanning. Het geteste prototype vertoonde nog slechts een zuiver en perfect sinusvormig residu van minder dan 10 mV top-tot-top i. p. v. de"zaagtand"rimpelspanning van 60 mV top-tot-top tevoren ! Door de waarde te verhogen (200 uF elk in het prototype) van de condensatoren C5 en C6, kan dit residu nog verder verkleind worden. De belasting bestond uit een audio-eindversterker, zonder dat deze uitgestuurd werd (standby). De capaciteit van de condensatoren C1 t/m. C4 was slechts 33 uF. Toch kon de eindversterker uitgestuurd worden tot ca. 20 watt, belast met een weerstand van 8 ohm ! De waarde van de condensatoren C1 t/m.

   C4 dient gekozen te worden in functie van de maximaal benodigde stroomsterkte. Voor deze eindversterker zou een waarde van 1000 uF per condensator moeten volstaan. In de test werden de oorspronkelijke afvlakcondensatoren (5900 uF 85 Volt elk) behouden als laatste filter.

   Ingeval de condensatoren C1 t/m. C4 volledig zouden ontladen raken alvorens de transformator zijn volledige uitgangs-sinusgolf heeft doorlopen, is er geen enkel probleem voor de aangesloten belasting. De voeding schakelt gewoon over op"normate"geiijkrichterwerking. De positieve stromen lopen dan rechtstreeks doorheen D1 of D2, D5 of D6 en T1. De negatieve stromen lopen dan rechtstreeks doorheen D3 of D4, D7 of D8 en T2.

   Dit gebeurt slechts in twee gevallen : * als de condensatoren C1 t/m. C4 stecht berekend werden * als de door de belasting benodigde stroom uitzonderlijk hoog is.

   De uitvinding voldoet slechts aan alle beschreven kenmerken als zij niet als spanningsvermenigvuldiger gebruikt wordt.
2. 2. Alle equivalente schakelingen die volgens het principe werken zoals beschreven in conclusie 1, dienen gedekt te zijn door het octrooi. Dit betekent : * een transformator gebruiken zonder aansluiting 5 <Desc/Clms Page number 5> een van de secundaire transfo-aansluitingen gebruiken als massa (in dit geval is slechts een deel van de beschreven schakeling nodig : vb.

   C2, D2, C4, D4, D6, D8 en de span- ningsregelaars, of zelfs alleen C2, D2, D6 en spanningsregelaar T1 als transformatoraan- sluiting 4 als massa genomen wordt) meer of minder transistors gebruiken voor T1 en/of T2 meer dan een regelaar per pool gebruiken (vb. een of meerdere regelaars die vermogen le- veren aan verschillende delen van de belastingsschakeling) Darlington transistors gebruiken voor T1 en/of T2 andere spanningsreferentie (s) gebruiken i. p. v. zenerdioden D9 en/of D10 * spanningsregelaars en/of stroomregelaars gebruiken i. p. v. de schakelingen rond T1 en/of T2 buizen gebruiken i. p. v. halfgeleiders veldeffect transistors gebruiken andere wisselspanningsbronnen gebruiken i. p. v. een transformator (vb.

   generatoren, recht- streekse netaansluiting, enz. ) "gewijzigde" schakelingen gebruiken: vb. onderdelen vervangen door meerdere onderde- len met dezelfde werking, of de volgorde veranderen van de combinaties C1/D1, C2/D2, C3/D3 en C4/D4. hetzelfde principe toepassen om een uitgangsspanning te bekomen die hoger is dan deze geleverd door een traditionele gestabiliseerde of ongestabiliseerde voeding hetzelfde principe gebruiken in parallel met andere voedingsschakelingen (het is aan te ra- den de spanning geleverd door de beschreven schakeling ca. 2 volt hoger in te stellen, ten- einde haar voordelen optimaal te benutten).
3. 3. Bij het ontwikkelen van een schakeling volgens het principe zoals beschreven in conclusie 1 is het aangewezen de nodige beveiligingen in te bouwen. Teneinde schade aan de aangesloten belasting te vermijden ingeval een of meerdere transistors defekt (kortgesloten) raken, dient een doeltreffende beveiliging (ook tegen overbelasting), toegepast te worden. Dit kan eenvoudig opgelost worden op verschillende manieren (vb. relais gebruiken die afgesteld zijn om de wisselspanningstoevoer te onderbreken wanneer een bepaalde maximale uitgangsspanning overschreden wordt, of een zogenaamd "crow-bar"-systeem dat een zekering doet doorslaan).

   Wegens de goede eigenschappen van de uitvinding kunnen beveiligingsrelais gebruikt worden in het wisselspanningsgedeelte, zonder dat dit een nadelige invloed heeft op de kwaliteit van de uitgangsspanning.

   Bij gebruik van electrolytische condensatoren voor C1 tim. C4, zijn types van hoge kwaliteit aan te raden. Voor schakelingen met laag vermogen (vb. tuners, voorversterkers) kunnen folie- of <Desc/Clms Page number 6> gemetaliseerde filmcondensatoren gebruikt worden.