FI107655B - Elektroninen ohjauspiiri - Google Patents

Description

107655

ELEKTRONINEN OHJAUSPIIRI

Keksinnön kohteena on elektroninen ohjauspiiri ohjattavan laitteen ohjausjännitteen säätämiseksi, joka ohjauspiiri käsittää ensiökäämin, ohjaus-5 väylän, joka ohjausväylä käsittää ensimmäisen toisiokäämin, ensimmäisen ohjausdiodin, ensimmäisen kondensaattorin sekä välineet ohjausjännitteen säätämiseksi, jotka välineet on kytketty rinnan ensimmäisen kondensaattorin kanssa, joka rinnankytkentä on lisäksi kytketty Saijaan ensimmäisen toisiokäämin ja ensimmäisen ohjausdiodin kanssa ja ohjausjännitteen syöttöpiirin, joka 10 käsittää sarjaan kytkettynä toisen toisiokäämin, toisen ohjausdiodin sekä toisen kondensaattorin.

Tässä selostuksessa termillä diodi käsitetään mitä tahansa elektronista komponenttia, joka johtaa virtaa vain yhteen suuntaan saaden aikaan diodin kaltaisen vaikutuksen. Alan ammattimiehelle on selvää, että tämä voidaan to-15 teuttaa esimerkiksi transistorilla. Samoin tässä selostuksella termillä kondensaattori tarkoitetaan mitä tahansa kapasitiivista elintä, jota voidaan varata sähköisesti kondensaattorin tapaan.

Elektroniikan säätö- ja ohjauspiireissä käytetään yleensä erillistä ohjausyksikköä, joka on usein erotettava galvaanisesti ohjattavasta laitteistosta. 20 Galvaaninen erotus mahdollistaa riittävän suuren sähköisen erotuksen luomi-.:··· sen eri elektroniikkapiirien välille välittäen kuitenkin samalla jänniteviestin elekt- : .·. roniikkapiiristä toiseen. Galvaanisen erotuksen luomiseen käytetään joko opti- *:·!·! siä tai magneettisia komponentteja.

• ·

Monissa elektronisissa ohjauspiireissä, erityisesti valaistuksen ohjaus- • · ..... 25 järjestelmissä on yleistynyt 1-10 voltin tasajännitteen käyttö ohjausjännitteenä.

* * * .*.! Tällöin 10 V:n ohjausjännite aikaansaa maksimivalotason ja 1 V:n ohjausjännite * ‘ vastaavasti minimivalotason. Minimi- ja maksimivalotasot ovat edullisesti va paasti valittavissa ja ohjausjännitettä säätämällä voidaan valotasoa muuttaa [..* portaattomasti minimi- ja maksimiarvon välillä. Yleensä ohjausyksikön käyttö- • · . ·♦·* 30 jännite saadaan suoraan ohjattavan laitteen teholähteestä, joka syöttää ohjaus- : väylän kautta virtaa ohjausyksikköön. Tämä ratkaisu mahdollistaa ohjausyksi- .:***: kön yksinkertaisen toteutuksen, jolloin ohjausyksikkö ei välttämättä tarvitse • · · . omaa ulkoista käyttöjännitettä. Tämän kaltaista ohjausperiaatetta käytetään **.!.* yleisesti esimerkiksi loistelamppujen elektronisten liitäntälaitteiden, vaihekui- « · « · ♦ · ♦ 2 107655 masäätimien sekä elektronisten halogeeni- ja neonlamppumuuntajien säätämiseen.

Ohjauspiiri on usein toteutettu kuvion 1 mukaisella kytkennällä. Kytkentään kuuluu ohjausmuuntaja T1, joka käsittää kolme käämiä N1, N2 ja N3.

5 N1 on muuntajan ensiökäämi, N2 on ohjausväylän 1 toisiokäämi ja N3 on ohjattavan laitteen toisiokäämi. Ohjausväylä 1 käsittää lisäksi diodin D1, säädettävän zener-diodin Z1 sekä kondensaattorin C1. Diodi D1 on kytketty sarjaan ohjausväylän 1 toisiokäämin N2 kanssa. Zener-diodi Z1 ja kondensaattori C1 on kytketty keskenään rinnan, joka rinnankytkentä on puolestaan kytketty sar-10 jaan ohjausväylän 1 toisiokäämin N2 ja diodin D1 kanssa. Ohjausjännitteen syöttöpiirissä 2 ohjattavan laitteen toisiokäämi N3 on kytketty sarjaan diodin D2 ja kondensaattorin C2 kanssa. Muuntajan ensiökäämiin N1 on kytketty kytkin K1, jonka avautumista ja sulkemista ohjaa ohjauslohko A. Ohjauslohkon A toiminta on alan ammattimiehelle sinänsä tunnettua eikä sen tarkempi selos-15 taminen ole tässä yhteydessä tarpeen.

Ohjauspiirin kytkentä on ns. pakko-ohjattu flyback-kytkentä. Ohjaus- lohkon A sulkiessa kytkimen K1 alkaa muuntajan T1 ensiökäämissä N1 kulkea

magnetointivirta. Magnetointivirran suuruus vaihtelee olennaisesti 5-100 mA

välillä. Ohjauslohkon A toimintavirta on tyypillisesti luokkaa 3-5 mA. Muuntajan 20 T1 käämien käämintäsuunnat on valittu sellaisiksi, että toisiokäämien N2 ja N3 diodien D1 ja D2 puoleiset päät ovat magnetointivirran kulkiessa negatiivisia, : jolloin toisiokäämeissä N2 ja N3 ei kulje virtaa. Säädettävällä zener-diodilla Z1 ··!·! kontrolloidaan ohjausjännitetasoa. Ohjauslohkon A avatessa kytkimen K1 ai- • · heuttaa muuntajan T1 ferriittiin varastoitunut magnetointienergia toisiokäämei- • · . v# 25 hin N2 ja N3 virran, joka varaa kondensaattorit C1 ja C2. Kondensaattorin C1 • · · yli olevan jännitteen Uc suuruus on säädetty zener-diodilla Z1. Tällöin, mikäli ’ toisiokäämien N2 ja N3 johdinkierrosten määrä on sama, on ohjattavan lait teen ohjausjännite Ue yhtä suuri jännitteen Uc kanssa, ts. Ue=Uc. Täten on magneettisesti välitetty zener-diodilla Z1 säädetty, valon tasoa ohjaava jänni-30 tetieto ohjattavalle laitteelle.

: Ohjauspiirin kytkentä voidaan tunnetun tekniikan mukaisesti toteuttaa • · · :***: myös kuvion 2 mukaisella kytkennällä. Kuvion 2 kytkentä on ns. itsevärähtele- • · · ,\m vä flyback-kytkentä, jossa kuvion 1 kytkentään nähden ohjauslohko A ja kytkin K1 on korvattu transistorilla V1, vastuksilla R1, R2 ja R3 sekä kondensaatto- • · 35 hila C3. Nämä muodostavat oskillointipiirin yhdessä käämin N1 kanssa siten, 3 107655 että käämi N1 on kytketty transistorin V1 emitteriin, vastukset R1 ja R2, käämi N3 sekä vastus R3 on kytketty näiden kanssa rinnan käyttöjännitteeseen ja kondensaattori C3 on kytketty rinnan vastusten R1 ja R2 sekä käämin N4 kanssa. Suodatuskondensaattorin C2 varautuminen on estetty kytkemällä se 5 estosuuntaisella diodilla D2 transistorin V1 ja käämin N1 väliin. Transistorin kantavilta voidaan edullisesti ottaa esimerkiksi vastusten R1 ja R2 välistä.

Transistorin V1 kantavilta kulkee vastuksen R2, käämin N3 ja vastuksen R3 kautta saattaen transistorin V1 kyllästyskään, jolloin transistorin V1 toiminta vastaa suljettua kytkintä, minkä seurauksena käämi N1 kytkeytyy 10 transistorin V1 kautta käyttöjännitteeseen V^. Käämin N1 läpi kulkeva virta aikaansaa sen, että käämi N1 toimii nyt ensiökääminä N3:n suhteen, jolloin N3:n kasvava jännite ohjaa transistoria V1 entistä vahvemmin kyllästyskään. Käämin N1 läpi kulkevan virran kasvaessa niin suureksi, ettei kantavirta riitä enää pitämään transistoria V1 kyllästystilassa, kääntyy transistorin V1 läpi kulkevan 15 virran suunta vastakkaiseksi. Käämin N1 yli olevan jännitteen pienetessä pienenee myös kantavirta, jolloin transistorista V1 tulee avattu kytkin. Vastakkainen virran suunta avaa diodin D2, jolloin kondensaattorin C2 yli varautuu negatiivinen ohjausjännite Ue jonka suuruus määräytyy käämien N1 ja N2 joh-dinkierrosten määrän suhteessa, ts. Ue=(-N1/N2) *UC.

20 Tunnetun tekniikan mukaisissa ratkaisuissa ensiökäämin magnetoin- tivirta otetaan siis ohjattavan laitteen ohjauselektroniikan käyttöjännitteestä, : .·. joka on tyypillisesti luokkaa 10-15 V. Tällöin jos ohjausvirta on suuruudeltaan 1 mA, mikä on tyypillinen arvo ohjausvirralle, on lähtöteho vastaavasti (10-15 • · V)*1 mA= 10-15 mW. Kuvion 1 mukaisen kytkennän hyötysuhde on n. 0,5 ja • · e.#. 25 kuvion 2 mukaisen kytkennän vastaavasti n. 0,2. Tällöin kytkentöjen virranku- • · · l.l lutus on vastaavasti 2 mA ja 5 mA. Lisäksi kuvion 1 mukaisessa kytkennässä • · · ohjauslohko A kuluttaa virtaa tyypillisesti 3-5 mA.

Tunnetun tekniikan mukaisissa ratkaisuissa on kuitenkin selkeitä " ‘ haittapuolia. Molemmissa edellä esitetyissä kytkennöissä ohjattavan laitteen , ·;·: 30 teholähde toimii myös ohjauspiirin teholähteenä, mikä siis osaltaan lisää virran : kulutusta. Kuvion 1 mukaisessa kytkennässä myös ohjauslohko A tarvitsee oman toimintavirtansa. Molemmissa kytkennöissä muuntajan T1 vaatiman tilan • · · . tarve suhteessa koko ohjauspiirin vaatimaan tilaan on myös huomattavan suu- ri. Muuntajan kokoon eniten vaikuttavat tekijät ovat eristysiuokka ja käämien • · *···* 35 vaatima tila. Tarvittaessa lukuisia johdinkierroksia myös käämintätyön määrä 4 107655 luonnollisesti kasvaa. Esimerkiksi käytettäessä toiminnan kannalta edullista pientä toroidi- tai E-sydänrunkoa ja n. 20 kHz:n taajuutta ovat tarvittavat joh-dinkierrosten määrät käämeissä suuruusluokaltaan 15/10/10 (N1/N2/N3) kuvion 1 mukaisessa kytkennässä ja vastaavasti 10/10/3 kuvion 2 mukaisessa 5 kytkennässä.

Nyt esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan ohjauspiiri, jossa edellä mainittuja epäkohtia ei esiinny. Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle ohjauspiirille on tunnusomaista se, että ensiökäämi on kytketty ohjattavan laitteen ensimmäisen solmupisteen ja toisen solmupisteen vä-10 liin ja että solmupisteet on valittu siten, että niiden välisessä virtapiirissä virta saavuttaa ainakin hetkellisesti arvon nolla. Keksinnön olennainen ajatus on, että ensiökäämin magnetointivirran aikaansaamiseksi ei tarvita erillistä oh-jauselektroniikkaa, vaan magnetointivirran synnyttää ohjattavassa laitteessa oleva tehoaste. Edelleen keksinnön erään edullisen sovellutusmuodon ajatuk-15 sena on, että johtuen magnetointivirran suuresta arvosta ensiökäämin johdin-kierrosmääräksi riittää yksi kierros.

Keksinnön etuna on, että keksinnön mukaisessa ohjauspiirissä komponenttien määrä pienenee, jolloin kytkentä yksinkertaistuu. Edelleen keksinnön etuna on, että ensiökäämin yksinkertaisuuden ansiosta käämintätyön 20 määrä vähenee ja muuntajan kokoa voidaan pienentää oleellisesti. Edelleen ....: keksinnön mukaisella ratkaisulla saavutetaan tehosäästöjä, kun magnetointi- : .·. virta otetaan suoraan ohjattavasta laitteesta.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten oheisiin pii- * · rustuksiin, joissa • · ..... 25 kuvio 1 esittää erästä tunnetun tekniikan mukaista ohjauspiiriä esi- • · · merkinomaisena piirikaaviona, * * kuvio 2 esittää erästä toista tunnetun tekniikan mukaista ohjauspiiriä esimerkinomaisena piirikaaviona, [..* kuvio 3 esittää erästä keksinnön mukaista ohjauspiiriä esimerkin- • · ·;·* 30 omaisena piirikaaviona ja kuvio 4 esittää keksinnön yhteydessä hyödynnettävissä olevaa puoli- :***: siltakytkentää esimerkinomaisena piirikaaviona.

• · · . Kuviossa 3 on piirikaavion avulla esitetty keksinnön mukainen ohja- • · t *!*.* uspiiri. Kytkentään kuuluu ohjausmuuntaja T1, joka käsittää kolme käämiä N1, • · *···’ 35 N2 ja N3. N1 on muuntajan ensiökäämi, N2 on ohjausväylän 1 toisiokäämi ja 5 107655 N3 on ohjattavan laitteen toisiokäämi. Ohjausväylä 1 käsittää lisäksi diodin D1, välineet ohjausjännitteen säätämiseksi, edullisesti säädettävän zener-diodin Z1, sekä kondensaattorin C1. Diodi D1 on kytketty sarjaan ohjausväylän 1 toi-siokäämin N2 kanssa. Zener-diodi Z1 ja kondensaattori C1 on kytketty keske-5 nään rinnan, joka rinnankytkentä on puolestaan kytketty sarjaan ohjausväylän 1 toisiokäämin N2 ja diodin D1 kanssa. Ohjausjännitteen syöttöpiirissä 2 ohjattavan laitteen toisiokäämi N3 on kytketty sarjaan diodin D2 ja kondensaattorin C2 kanssa. Muuntajan ensiökäämi N1 on kytketty keksinnön mukaisessa ratkaisussa ohjattavan laitteen minkä tahansa kahden solmupisteen väliin, joi-10 den välisessä virtapiirissä virta ainakin hetkellisesti saavuttaa arvon nolla. Magnetointivirta johdetaan ensiökäämiin, joka varastoi magnetointienergiaa muuntajaan T1. Magnetointienergia vapautuu toisiokäämeille, kun virta menee nollaan virtapiirissä, johon ensiökäämi on kytketty. Tyypillisesti kaikista teho-asteista löytyy sellaisia virtapiirejä, joissa virta menee hetkittäin nollaan tai 15 kääntää suuntaansa.

Keksinnön mukaisessa ohjauspiirissä ei tarvita ensiökäämin ohjaus-lohkoa eikä minkäänlaista kytkinratkaisua magnetointivirran ohjaamiseksi. Tämä vähentää ohjauspiirin komponenttien määrää, mikä yksinkertaistaa kytkentää, pienentää kytkennän tilantarvetta ja parantaa ohjauspiirin luotetta-20 vuutta. Tehoasteen virrat ovat lähes aina huippuarvoltaan suurempia kuin 0,1 A, jolloin magnetointivirta muodostuu niin suureksi, että ensiökäämin johdin- : kierrosmääräksi riittää yksi kierros. Tämä vähentää käämintätyötä ja mahdol- • · · · listaa myös muuntajan T1 koon huomattavan pienentämisen.

• ·

Keksinnön mukaisella ratkaisulla saavutetaan myös säästöä tehon • · .... 25 kulutuksessa. Eräillä keksinnön mukaisilla suoritusmuodoilla voidaan päästä • · · jopa lähelle 5 mA virransäästöä. Tällä on erityisesti merkitystä, jos ohjattavan * laitteen käyttöjännite tuotetaan verkkojännitteestä resistiivisesti, jolloin tehon . säästö voi olla luokkaa 230 V * 5 mA»1,2 W.

[##* Kuviossa 4 esitetään eräs keksinnön yhteydessä hyödynnettävissä • · ···* 30 oleva puolisiltakytkentä piirikaaviona. Kuvion 4 kaltaista kytkentää voidaan : käyttää esimerkiksi loistelampun liitäntälaitteen kytkentänä. Kytkennässä lois- :***: telamppu E ja kondensaattori C4 on kytketty rinnan ja tämä rinnankytkentä ·»· . edelleen sarjaan käämin L1 kanssa. Kytkettäessä piiriin virta toimii tämä aluksi "1/ LC-piirinä, joka pyrkii kohti resonanssia. Tällöin kondensaattorin C4 yli syntyy ***·’ 35 suuri jännite, joka sytyttää loistelampun E ja piiri alkaa toimimaan käytännössä 6 107655 LR-piirinä. Loistelampun E pyrkiessä sammumaan alkaa LC-piiri uudestaan resonoimaan ja estää siten lampun sammumisen. Syöttöjännitteen kytkintoi-minnot K2 ja K3 voidaan toteuttaa esimerkiksi transistoreilla, jolloin komponenteista riippuen diodeja D3 ja D4 ei välttämättä tarvita. Keksinnön mukainen 5 ohjauspiiri voidaan tässä yhteydessä toteuttaa kytkemällä ensiökäämi osaksi mitä tahansa virtapiirin osaa, esimerkiksi edullisesti osaksi jomman kumman kytkimen K2 tai K3 ohjaamaa piiriä. Tällöin kytkimen avautuessa virta menee edullisesti hetkellisesti nollaan.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksintö voidaan toteuttaa mo-10 nin eri tavoin. Esimerkiksi ohjausjännitteen säätämiseen voidaan käyttää erilaisia säätöpiirejä zener-diodin sijaan. Täten keksintö ja sen toteutusmuodot eivät rajoitu pelkästään edellä kuvattuihin esimerkkeihin, vaan ne voivat vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

• · · · • · · • · I I I • · · • · · I t « • · • · • · • » · • · · • · · • · · • · · • · M· • · I·· • · » • · · ♦ · ♦ • · · • · • · • · · • · • « ·

« « I

• 1 · · · · • · • · »··

Claims (3)

107655

1. Elektroninen ohjauspiiri ohjattavan laitteen ohjausjännitteen säätämiseksi, joka ohjauspiiri käsittää 5. ensiökäämin (N1), - ohjausväylän (1), joka käsittää ensimmäisen toisiokäämin (N2), ensimmäisen ohjausdiodin (D1), ensimmäisen kondensaattorin (C1) sekä välineet (Z1) ohjausjännitteen säätämiseksi, jotka välineet (Z1) on kytketty rinnan ensimmäisen kondensaattorin (C1) kanssa, joka rinnankytkentä on lisäksi kyt- 10 ketty sarjaan ensimmäisen toisiokäämin (N2) ja ensimmäisen ohjausdiodin (D1) kanssa ja - ohjausjännitteen syöttöpiirin (2), joka käsittää sarjaan kytkettynä toisen toisiokäämin (N3), toisen ohjausdiodin (D2) sekä toisen kondensaattorin (C2), 15 tunnettu siitä, että ensiökäämi (N1) on kytketty ohjattavan lait teen ensimmäisen solmupisteen ja toisen solmupisteen väliin ja että solmu-pisteet on valittu siten, että niiden välisessä virtapiirissä virta saavuttaa ainakin hetkellisesti arvon nolla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjauspiiri, tunnettu siitä, 20 että ensiökäämi (N1) on induktiivinen elementti, jonka johdinkierrosten luku- määrä on yksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ohjauspiiri, tunnettu siitä, että välineet (Z1) ohjausjännitteen säätämiseksi käsittävät säädettävän *:·1: zener-diodin. • · • · · • · · • · • · · • · · • · · • · • · • · · • · · • · · • · 1 • · 1 • · • · · • · • · • · · • · · · · · • · • · • · · 107655