BRPI0907741A2 - dispositivos gerador de alta voltagem, e, uso do mesmo - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIVO GERADOR DE ALTA VOLTAGEM, E, USO DO MESMO Dispositivo gerador de alta voltagem, compreendo um ressonador indutivo capacitivo (RS2) capaz de produzir uma alta voltagem, meios para gerar um trem de pulsos de controle de alta frequência, uma fonte de voltagem (VMT), um capacitor (Cl) e um gerador de voltagem (GENI) compreendendo um transistor de comutação (Ml) do qual o eletrodo de controle (G) é ligado à saída dos meios para gerar o trem de pulsos de controle de alta frequência, a fonte (S) do transistor de comutação (Ml) sendo aterrada, o dreno (D) do transistor de comutação (Ml) sendo apto a fornecer um trem de pulsos de voltagem ao ressonador indutivo capacitivo (RS2) em resposta ao trem de pulsos de controle recebidos no eletrodo de controle (G) do transistor de comutação (Ml). O dreno (D) do transistor de comutação (Ml) é ligado ao ressonador indutivo capacitivo (RS2) por meio de um transformador de isolamento (TRANS), o transformador de isolamento (TRANS) sendo ligado em paralelo com um capacitor (Cl), o transformador de isolamento (TRANS) sendo também ligado à fonte de voltagem (VMT).
Description
h # J 1 b 8 "DISPOSITIVO GERADOR DE ALTA VOLTAGEM, E, USO DO MESMO" A invenção refere-se a dispositivos geradores de alta voltagem e, mais particularmente, à redução na voltagem na saída do transistor de comutação incluído em tais dispositivos.
5 A invenção aplica-se, com vantagem, mas não de modo limitante, à geração de plasma em um gás, usando dispositivos geradores de alta voItagem tais como esses, e especiahnente à geração de plasina pelos eletrodos de uma vela de ignição, usada para a ignição controlada de um motor de combustão extema.
10 O princípio da vela de ignição ressonante reside no uso de um conjunto ressonante bobina-capacitor, este consistindo de dois eletrodos (um dos quais compreende o envoltório) separados por um material diéletrico, tal como cerâmica. Este ressonador de alta Kequência é geralmente chamado de uma "bobina-vela de ignição". Este ressonador é alimentado por um gerador de 15 voltagem apto fomecer um trem de pulsos de voltagem ao ressonador em resposta a um trem de pulsos de controle de alta hequência recebidos no eletrodo de controle do transistor de comutação do gerador de voltagem pulsado. Mais .precisamente, este gerador pulsado compreende, além do transistor de comutação controlado pelo trem de alta hequência de pulsos de 20 controle, um conjunto bobina-capacitor ligado em paralelo e alimentado com uma voltagem média. A combinação deste gerador de voltagem pulsada e do ressonador indutivo capacitivo de série ("bobina-vela de ignição") constitui urn . dispositivo gerador de alta voltagem e é comumente chamado pelos versados na " 25 técnica como um "pseudo amplificador de classe E". Como indicado acima, o controle do transistor de comutação é efetuado por uma voltagem de alta frequência (trem de pulsos de controle) aplicado à porta do transistor. Quando o transistor está ligado, uma corrente flui
W em tomo da bobina enquanto quando o transistor está desligado, a corrente carregada por um lado o capacitor e por outro lado alimenta a bobina do ressonador de série.
O potencial de dreno do transistor eleva-se.
Esta alta voltagem periodicamente alimenta o ressonador de série (bobina-vela de
5 ignição) que, em virtude de um significante fator de qualidade, cria a alta voltagem capaz de disparar centelhas.
Tais geradores estão descritos em pedidos de patente FR 03-10766, FR 03-10767 e FR 03-10768. Pseudo-amplificadores de classe E podem também ser aplicados a dispositivos de injeção de ultrassoni.
Excitação de ultrassom de injetores
10 piezoelétricos requer a geração de uma alta voItagem de entre 200 e 1800 V pico a pico e modulada entre 25 e 50 KHz.
Qualquer que seja a aplicação pretendida, um pseudo amplificador de classe E requer um transistor de controle que pode sÜportar os níveis de potência e voltagem requeridos, consideravelmente reduzindo a
15 diversidade de componentes disponíveis.
Um objetivo da invenção é propor uma solução que toma possível reduzir a voltagem fomecida à saída do transistor de potência enquanto mantendo uma voltagem suficiente através dos terminais do ressonador de série.
De acordo com um aspecto da invenção, um dispositivo gerador
20 de alta voltagem é definido, compreendendo uin ressonador indutivo capacitivo apto a amplificar uma alta voltagem, meios para gerar um trem de pulsos de controle de alta hequência, uma fonte de voltagem, um capacitor e um gerador de voltagem compreendendo um transistor de comutação cujo eletrodo de controle é 'ligado à saída dos meios para gerar o trem de pulsos de controle de ' 25 alta hequência, a fonte do transistor de comutação sendo aterrada, o dreno do transistor de comutação sendo apto a fomecer um trem de pulsos de voltagem ao ressonador indutivo capacitivo em resposta ao trem de pulsos de controle recebidos no eletrodo de controle do transistor de comutação.
O dreno do
ZF " 3 .
X * . ," transistor de comutação é ligado ao ressonador indutivo capacitivo por meio de um transformador de isolamento, o transformador de isolamento sendo ligado + .
em paralelo com um capacitor, o transformador de isolamento sendo, além , disso, ligado à fonte de voltagem. 5 O enrolamento primário do transformador de isolamento pode ser 'conectado por um terminal ao dreno do transistor de controle e por outro terminal à fonte de voltagem, o enrolamento primário do transformador de isolamento sendo ligado em paralelo com o capacitor. O enrolamento secundário do transformador de isolamento pode 10 ser ligado por um tenninal ao ressonador indutivo capacitivo e por outro terminal a um terra, referido terra também sendo ligado ao ressonador indutivo 3 * capacitivo. .C ? O dispositivo gerador de alta voltagem pode compreender um isolamento galvânico isolando o enrolamento primário e o enrolamento -W .
15 secundário, os componentes e terra ligados a um enrolamento sendo isolados dos " componentes e terra ligados ao outro enrolamento por referido isolamento galvânico. O terra presente no circuito ligado ao enrolamento secundário pode ser distinto e isolado do terra presente no circuito ligado ao enrolamento 20 primário. Os meios para gerar o trem de pulsos de controle podem compreende um oscilador de Hequência fixada.
Outras vantagens e características da invenção serão aparentes
X em exame da descrição detalhada de formas de realização completamente não 4 " 25 limitativas e os desenhos anexos cuja figura única ilustra uma forma de realização eletrônica exemplar de um dispositivo de acordo com a invenção.
Como ilustrado na fígura única, o gerador de voItagem pulsada GENI compreende um conjunto consistindo de um transformador TRANS e capacitor Cl ligados em paralelo, bem como um transistor de comutação Ml, fomado aqui de um transistor de potência MOSFET de canal N, controlado em
" sua porta G por um trem de pulsos de controle gerados aqui por um oscilador de
- frequência fixada OSC.
Esta hequência é uma frequência elevada, tipicamente 5 da ordem de alguns MHz e maior que 1 MHz.
O transfonnador TRANS compreende um enrolamento primário com Nl espiras e um enrolamento secundário com N2 espiras.
Um teminal do enrolamento secundário é ligado a um primeiro terminal do ressonador indutivo capacitivo RS2 modelado por um resistor R2, um indutor L2 e um capacitor C2. O outro terminal do ressonador de
10 série RS2 é ligado por um lado a um terra, por outro lado a um resistor R3 ligado ao outro teminal do enrolamento secundário.
O resistor Rl pode ser quer a modelagem do comportamento resistivo da fiação ligando o segundo terminal do enrolamento secundário ao terra, ou um componente físico cujo papel consiste em medir a corrente fluindo no ressonador de série RS2. No ultimo
15 caso, a resistência deste componente será escolhida muito baixa com relação ao valor de R2, no ressonador RS2, de modo a não degradar o desempenho (fator de sobrevoltagem) do ressonador RS2 e não causar aquecimento excessivo do componente.
Um isolamento galvânico IG separa os dois enrolamentos do transformador TRANS.
O isolamento galvânico IG também separa por um lado
20 os componentes liga.dos ao enrolamento primário e por outro lado os componentes ligados ao enrolamento secundário.
O ressonador de série RS2, também chamado um ressonador indutivo capacitivo, pode ser incluído em uma vela de ignição gerando plasma ou em um injetor piezoelétrico ou ultrassônico. . A hequência natural do ressonador de série formado pelo indutor
" 25 L2 e o capacitor C2 também exibe uma Hequência ressonante elevada, por exemplo, maior que 1 MHz, com um fator de sobrevoltagem de, por exemplo,
entre 40 e 200. O gerador pulsado GENI é alimentado por uma fonte CC de voltagem VMT fomecendo uma voltagem média, tipicamente menor do que '- 1000 volts.
. Além disso, esta fonte de voltagem VMT preferivelmente exibe . uma potência limitada tal que a energia aplicada entre os eletrodos da vela de 5 ignição é também limitada, por exemplo, a 300 mj por ignição e por razões de segurança. Para gerar voltagens de CC maiores que 12 volts em uma aplicação em automóvel, é possível usar um conversor de 12 volts para Y volts, Y sendo a voItagem provida pela fonte de alimentação VMT. É, deste modo, possível gerar o nível de voltagem de CC desejado de uma voltagem de bateria.
10 A estabilidade da voltagem CC gerada não sendo a priori um critério determinante, provisão pode ser feita a título de exemplo para usar uma fonte de alimentação cortada para alimentar o gerador GENI, devido às suas qualidades de robustez e simplicidade. Quando o transistor Ml está ligado, uma corrente flui em tomo 15 da bobina Ll. Quando o transistor Ml está desligado, a corrente carrega por um lado o capacitor Cl e alimenta a bobina L2. O potencial do dreno D do transistor Ml eleva-se. Esta alta voltagem, tipicamente da ordem de várias centenas de volts, periodicamente alimenta o ressonador de série RS2, que em virtudè de um 20 significante fator de sobrevoltagem, cria a alta voltagem HT capaz de disparar as centelhas. Em virtude da presença do transfòrmador, a voltagem através dos tertninais do enrolamento primário, e portanto na saída do transistor de potência, pode ser reduzida. De fato, a razão de transfonnação M é igual à razão do " 25 número de espiras dos enrolamentos Nl primário e N2 secundário, que é por si só igual à razão das voltagens dos enrolamentos Ul primário e U2 secundário: M = N2/N1 = U2/U1 Deste modo, se se desejar obter uma voltagem Ul através dos terminais do ressonador de série RS2, isto é, digamos, através dos terminais do enrolamento secundário N2, isto basta para obter uma voltagem U2 através dos " terminais do enrolamento primário Nl igual a: U2 =U1/M - 5 A construção e as tecnologias empregadas para produzir o transformador são também dois aspectos essenciais para a operação apropriada do pseudo amplificador de classe E.
O uso de um transformador de entreferro é preferível em vista das hequências envolvidas.
Soluções altemativas podem ser usadas, mas a
10 eficiência de conversão pode então ser mais baixa.
O enrolamento é produzido preferivelmente com cabo coaxil blindado com trança de condutor de terra de modo a limitar as distúrbios de alta frequência.
No caso do uso do pseudo amphficador de classe E para injeção
15 ultrassônica, as restrições de produção podem ser reduzidas de modo a considerar as Kequências mais baixas envolvidas.
Além disso, deve ser notado que o uso de um transfomador com relação a um indutor gera várias vantagens apreciáveis.
Com relação às aplicações para ignição de radiohequência tal
20 como descrito em patentes Hancesas FR03-10766, FR03-10767, FR03-10768, o uso de um transformador torna possível não incluir um capacitor em série situado entre a saída do pseudo amplificador de classe E e a carga da vela de ignição multi-centelhas (BME), bem como com o filtro de modo comum de tipo Balun.
Além disso, é possível integrar uma medição da corrente de ionização, : 25 por exemplo no nível do resistor R3. Além disso, o uso de um transfomador tipo isolamento toma possível remover o componente CC do sinal na entrada do ressonador de série RS2, deste modo reduzindo a voltagem máxima aplicada ao cabo enquanto preservando a amplitude do sinal. Segue-se daí que as liniitações pesando sobre o isolamento do cabo não são tão restritas como no caso de um pseudo amplificador de classe E sem transfomador. A faixa de cabos utilizáveis é então mais ampla.
5 Em tennos de segurança de operação, um pseudo amplificador de classe E com transfomador toma possível isolar o capacitor C'l e a fonte de aliinentação a partir dos cabos de conexão para o ressonador de série RS2. Deste modo, um curto circuito no nível destes cabos ou entre um destes cabos e o terra não estará apto a criar qualquer choque elétrico.
Finalmente, o uso de um transformador toma possível reduzir distúrbios eletromagnéticos emitidos, especialmente para corrente modo comum. De fato, o terra do ressonador de série RS2 sendo desacoplado do terra do transistor Ml, os distúrbios eletromagnéticos emitidos durante a geração da centelha de ignição ou durante geração de ultrassom podem não ser guiados em direção ao transistor Ml e a eletrônica de controle por ineio de um terra comum. Estes fatos são ainda inais verdadeiros quando os cabos de conexão compreendem uma trança de condutor de terra e uma blindagem moldada na bainha. Para isolamento aumentado, uma extremidade ou ambas as extremidades da trmça de condutor de terra pode(m) ser conectada(s), o retomo da corrente através de R3 sendo assegurado por outro condutor.
Claims (7)
1. Dispositivo gerador de alta voltagem, compreendendo um " ressonador indutivo capacitivo (RS2) apto a amplificar uma alta voltagem, . meios para gerar um trem de pulsos de controle de alta hequência, uma fonte de 5 voltagem (VMT), um capacitor (Cl) e um gerador de voltagem (GENI) compreendendo um transistor de comutação (Ml) cujo eletrodo de controle (G) é ligado à saída dos meios para gerar o trem de pulsos de controle de alta frequência, a fonte (S) do transistor de comutação (Ml) sendo aterrada, o dreno (D) do transistor de comutação (Ml) sendo apto a fomecer um trem de pulsos de 10 voltagem ao ressonador indutivo capacitivo (RS2) em resposta ao trem de pulsos de controle recebidos no eletrodo de controle (G) do transistor de comutação (Ml), caracterizado pelo fato que o dreno (D) do transistor de comutação (Ml) é ligado ao ressonador indutivo capacitivo (RS2) por meio de um transfomador de isolamento (TRANS), o transfomador de isolamento (TRANS) sendo ligado 15 em paralelo com um capacitor (Cl), o transformador de isolamento (TRANS) sendo além disso ligado à fonte de voltagem (VMT).
2. Dispositivo gerador de alta voltagem de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que q enrolamento primário (Nl) do transformador de isolamento (TRANS) é conectado por um terininal ao dreno 20 (D) do transistor de controle (Ml) e por outro terminal à fonte de voltagem (VMT), o enrolamento primário (Nl) do transformador de isolamento (TRANS) sendo ligado em paralelo com o capacitor (Cl).
3. Dispositivo gerador de alta voltagem de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o enrolamento " 25 secundário (N2) do transformador de isolamento (TRANS) é ligado por um terminal ao ressonador indutivo capacitivo (RS2) e por outro teminal à terra, referida teira também sendo ligada ao ressonador indutivo capacitivo (RS2).
4. Dispositivo gerador de alta voltagem de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de compreender um isotamento galvânico (IG) isolando o enrolamento primário çNl) e o enrolamento secundário (N2), os componentes e terra ligados a um enrolamento - sendo isolados dos componentes e terra ligados ao outro enrolamento por 5 referido isolamento galvânico (IG).
5. Dispositivo gerador de alta voltagem de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o terra presente no circuito ligado ao enrolamento secundário (N2) é distinto e isolado do terra presente no circuito ligado ao enrolamento primário (Nl).
10 6. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os meios para gerar o trem de pulsos de controle compreendem um oscilador de hequência fixada (OSC).
7. Uso de um dispositivo gerador de alta voltagem de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de ser para ignição 15 controlada em um motor de combustão extema.
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