FI113502B - Sähkökytkimen tehonsyöttö - Google Patents

Description

Sähkökytkimen tehonsyöttö 11350?

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen menetelmä sähkökytkimen tehonsyötön toteuttamiseksi. Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 2 johdanto-osan mukainen sähkökytkimen tehonsyöttöjäijestely.

5 Sähkökytkin on tässä hakemuksessa sähkömekaaninen kytkin, kuten relekytkin, puolijohdekytkin ja/tai niiden yhdistelmä, kuten rinnan kytketyt relekytkin ja puoli-johdekytkin, kuten triac. Tällaisia sähkökytkimiä käytetään vaihtosähkölähteeseen, kuten vaihtovirtaverkkoon, kytkettävien sähkölaitteiden, erityisesti valaisimien, kytkemiseen päälle ja pois päältä ja niitä ohjataan esim. ajastimella, hämäräkytkimellä 10 tai liiketunnistimella. Sähkömekaaniset kytkimet, kuten relekytkin, soveltuvat käytettäväksi kaiken tyyppisten kuormien kanssa, niin resistiivisten, kapasitiivisten kuin induktiivisten kuormien kanssa. Kun relekytkimen rinnalle jäljestetään puolijohdekytkin, kuten triac, kuormavirrat ovat nostettavissa kaikilla kuormatyypeillä relekytkimen nimellisvirran suuruisiksi.

15 Laitteet so. kuormat, joihin vaihtovirran syötöä säädetään/ohjataan sähkökytkimen kautta, on toteutettu yleensä niin, että niihin tuodaan sekä verkon vaihejohto so. vai-hejännite/-virtajohto ja nollajohto eli maa. Sähkökytkimen ohjausyksikön ja mahdollisesti itse sähkökytkimen sähkön syöttö on tällöin järjestetty suoraan verkkosyö-töstä eli virta-ja nollajohdon väliltä. On kuitenkin huomattava, että aina verkon nol-20 lajohtoa ei ole saatavilla. Näin on esimerkiksi sisäjohtoasennuksissa katkaisimille tarkoitetuissa seinärasioissa, joihin nollajohtoa ei ole asennettu. Tällöin nollajohto on järjestettävä jälkiasennuksena, mikäli sähkökytkimen ja sen ohjausyksikön säh-;* könsyöttö toteutetaan tavanomaisella tavalla.

Sellaisen sähkökytkimen, jossa vain virtajohto on käytettävissä sähkön syöttöön, • ’ 25 ongelmana on, että sen ohjausyksikköjä usein myös itse sähkökytkin tarvitsevat toi- . . miakseen sähkötehoa sekä sähkökytkimen ollessa suljettuna eli johtavassa tilassa et tä sähkökytkimen ollessa auki eli johtamattomassa tilassa. Koska vain vaihejohto kulkee sähkökytkimen kautta, ei ole mitään vertailupotentiaalia, kuten maapotenti-aalia, jännite-eron muodostamiseksi ja sähkökytkimen ja sen ohjausyksikön sähkön :*·, 30 syötön järjestämiseksi tällä perusteella.

·; , Ennestään tunnetaan yhdysvaltalaisesta patenttijulkaisusta US-4713598 relekytkin, : jonka ohjaukseen liittyvän PIR-ilmaisimen vahvistimen sähkönsyöttö on toteutettu ilman nollajohtoa käyttäen hyväksi vain virtajohtoa. Relekytkin toimii tällöin ns.

V kaksijohdinkytkimenä. Relekytkin on yhdistetty vaihtovirtaverkkoon kuorman ja 113502 2 virtamuuntajan ensiökäämin kanssa Saijassa. Kun relekytkin on suljettu eli se on johtavassa tilassa, virtamuuntajan toisiokäämin vaihtojännite tasasuunnataan ja tulokseksi saadaan vahvistimen sähkönsyötön vaatimaa tasajännitettä. Kun relekytkin on auki eikä virta pääse kulkemaan kytkimen kautta, kytkimen yli vaikuttava jännite 5 tasasuunnataan ja siitä muodostetaan vahvistimen tarvitsema käyttöjännite.

Kun relekytkin on suljettuja kuormavirta kulkee kytkimen läpi, virtamuuntajan ensiökäämin yli muodostuu vain pieni jännitepudotus verrattuna kuorman yli vallitsevaan kuormajännitteeseen. Jännitepudotus on tyypillisesti 1 %:n luokkaa kuorma-jännitteestä. Ensiökäämin yli vallitseva jännitepudotus muunnetaan virtamuuntajalla 10 toisiokäämin yli vallitsevaksi korkeaksi toisiojännitteeksi, joka kokonaan tai osittain tasasuunnataan diodilla, jonka yhteydessä on jännitettä tasaavana suotimena ohitus-kondensaattori ja jonka yli saadaan tasasuunnattu jännite vahvistimelle. Esimerkkinä virtamuuntajan ensiö-ja toisiokäämien Wl, W2 kierrosmäärille annetaan W1 = 45 ja W2 = 2000, kun kuorma on 60 W. Ensiökäämissä on lisäksi useita väliottoja, 15 jolloin kierroslukusuhde on säädettävissä kuorman mukaan sopivaksi.

Ongelmana on, että virtamuuntaja on rakenteeltaan ja mitoituksiltaan, erityisesti kierroslukumääriltään, sellainen, että se vie runsaasti tilaa. Tällaista virtamuuntajaa on hankala sovittaa pieniin asennustiloihin, kuten sähkökytkimien tai vastaavien sähkötarvikkeiden asennusrasiaan.

20 Edelleen ongelmana on, että virtamuuntajan kanssa sarjaan kytkettävän kuorman suuruus on rajoitettu. Ne mitoitetaan yleensä pienille kuormille, kuten em. US-pa-tenttijulkaisussa esitetyn esimerkin mukaisesti vain 60 W:n kuormalle. Jos saman-./· laista muuntajaa käytetään tätä suuremmilla kuormilla, sen fyysinen koko kasvaa ... valtavaksi.

• . * 25 Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä esitettyyn sähkökytkimen tehonsyöttöön . . liittyvät epäkohdat. Keksinnön tarkoituksena on myös saada aikaan uusi sähkökyt kimen tehonsyöttö, joka soveltuu erityisesti sellaisen kytkimen tehonsyötön järjestämiseen, joka sijoitetaan sähköasennusjärjestelmän asennusrasiaan, erityisesti up-poasennusrasiaan.

* 30 Keksinnön mukaiselle menetelmälle sähkökytkimen tehonsyötön toteuttamiseksi on ’ ·; . tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön mukaiselle :T kytkimen tehonsyöttöjärjestelylle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaa- timuksessa 2. Epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty keksinnön mukaisen .. Y tehonsyöttöjärjestelyn edullisia sovellusmuotoja.

3 113507

Keksinnön mukaisessa menetelmässä sähkökytkimen tehonsyötön toteuttamiseksi kytkin on järjestetty virtatielle vaihtovirtalähteen, edullisesti vaihtovirtaverkon, ja kuorman väliin sähkön syötön katkaisemiseksi ja sallimiseksi, kytkin on myös järjestetty virtamuuntajan ensiöpiirin kanssa sarjaan ja kytkimen ohjausyksikön ja 5 mahdollisesti itse kytkimen vaatima sähköteho otetaan kytkimen yli, silloin kun kytkin on auki, ja virtamuuntajan toisiopiiristä tasasuuntaajan kautta silloin, kun kytkin on kiinni ja sähkön syöttö kuormaan tapahtuu. Keksinnön mukaisesti virta-muuntaja järjestetään toimimaan siten, että se kyllästyy jokaisella verkkovirran puo-lijaksolla, ja virtamuuntajan toisiopiirin toisiojännitteen kyllästyspiikit tasasuunna-10 taan tasasähkötehon saamiseksi silloin, kun kytkin on kiinni.

Keksinnön etuna on, että kyllästysalueella toimiva virtamuuntaja saadaan toteutettua kooltaan pienenä. Virtamuuntajan johdinkierrosluvut saadaan pidettyä alhaisina, erityisesti ensiökäämin kierrosluku, jolloin myös virtamuuntajan dimensiot saadaan tavanomaisiin muuntajarakenteisiin nähden selvästi pienemmiksi. Tämä on erityisen 15 tärkeää silloin, kun sähkökytkin, virtamuuntaja ja muu ohjausohjausyksikkö on saatava mahtumaan pieneen tilaan, erityisesti sähköasennusrasiaan.

Keksinnön etuna on myös, että yhtä virtamuuntajaa voidaan käyttää laajalla kuor-matehoalueella, kuten 25 W - 3,7 kW. Kuormavirrat voivat tällöin olla alueella 100 mA - 16 A.

20 Seuraavassa keksintöä selostetaan tarkemmin oheisiin piirustuksiin viittaamalla, joissa piirustuksissa kuvio 1 esittää periaatekuviota sähkökytkimestä, jossa sovelletaan keksinnön mu- ' *' kaista tehonsyöttöä; » · · \ kuvio 2 esittää periaatekuviota toisesta sähkökytkimestä ja keksinnön mukaisesta te- 25 honsyötöstä; kuvio 3 esittää kaaviomaisesti erästä käytännön sovellutusta keksinnön mukaisesta sähkökytkimen tehosyötöstä; ja kuvio 4A ja 4B esittävät virtamuuntajan toisiojännitteiden käyrämuotoja kahdella ; · · · erisuuruisella kuormalla.

t t : T 30 Kuvioissa käytetään toisiaan vastaavista osista samoja viitenumerolta.

I 4 « » · ·

» I

t I » i · 11350? 4

Keksinnön kohteena on sähköisesti ohjattavan sähkökytkimen 1, kuten sähkömekaanisen kytkimen ja/tai puolijohdekytkimen, tehonsyöttöjärjestely, kun kytkimen kautta on järjestetty kulkemaan vain yksi johdin, virtajohdin.

Sähkökytkin 1 on jäljestetty virtatielle, kuten virtajohtimeen J, vaihtovirtalähteen E, 5 edullisesti vaihtovirtaverkon yhden vaiheen, ja kuorman L väliin, kuten kuvioissa 1 ja 2 on esitetty. Sähkökytkimen 1 avulla sähkön syöttö vaihtovirtalähteestä E kuormaan L katkaistaan tai keskeytetään ja vastaavasti sallitaan kytkimen asennosta, auki aja vastaavasti kiinni k, riippuen. Sähkökytkintä 1 ohjataan auki-ja kiinniasen-toihin ohjausyksikön 2 avulla. Toimintakäsky ohjausyksikölle 2 annetaan edullisim-10 min sen ulkopuolelta (vrt. nuoli kuvioissa 1 ja 2).

Sähkökytkimen 1 tehonsyöttöjärjestelyyn kuuluu virtamuuntaja 3, tasasuuntaaja 4 ja vakiojännitelähde 5. Virtamuuntajan 3 ensiöpiiri W1 on järjestetty sähkökytkimen 1 kanssa sarjaan. Sähkökytkimen 1 ja sen ohjausyksikön 2 vaatima sähköteho on järjestetty otettavaksi vakiojännitelähteestä 5 sähkökytkimen 1 yli, silloin kun kyt-15 kin on auki aja sähkön syöttö on katkaistu, ja virtamuuntajan 3 toisiopiiristä W2 tasasuuntaajan 4 kautta, silloin kun kytkin on kiinni k ja vaihtovirtaa vaihtovirtalähteestä E syötetään kuormaan L.

Keksinnön mukaisesti virtamuuntaja 3 on järjestetty toimimaan siten, että se kyllästyy jokaisella verkkovirran puolijaksolla.

20 Tavanomaisen ideaalisen virtamuuntajan ensiö- ja toisiopiirin virtojen suhde on kääntäen verrannollinen ensiö-ja toisiopiirien käämikierrosten suhteeseen. Käytän- » ' . nössä magnetointivirran suuruus aiheuttaa eroa virtojen suhteeseen. Jotta ensiö- ja ’*·’ toisiopiirien virtojen suhde voitaisiin pitää mahdollisimman tarkasti hallinnassa, i « · magnetointivirran aiheuttama vääristymä täytyy minimoida eli magnetointivirran > ’ 25 suuruus tulee pitää mahdollisimman pienenä. Magnetointivirta on sitä pienempi mi- . tä suurempi on magnetointi-induktanssi. Magnetointi-induktanssin suuruuteen vai kuttaa käämikierrosten lukumäärä, muuntajan koko ja käytetty sydänmateriaali. Yleisesti tavallisen virtamuuntajan magnetointivirta mitoitetaan alle 3 %:iin mitattavasta virta-arvosta.

» 30 Tavanomaisen virtamuuntajan toisiojännitteen U arvo mitoitetaan kynnvsjännitteen Uk= IV alapuolelle, koska korkea toisiojännite kasvattaa magnetointivirran i arvoa: > t *

I I

Uk = L x (di / dt) o di = (dt x U) / L Jossa t t jv L = virtamuuntajan induktanssi.

11350? 5 Tästä syystä virtamuuntajan toisiokäämi kytketään pienen impedanssin omaavaan kuormitusvastukseen, jolla toisiojännitteen U arvo rajoitetaan haluttuun jännitear-voon.

5 Keksinnön mukaisessa tehonsyötössä virtamuuntaja 3 on järjestetty kyllästymään, kuten edellä jo todettiin. Tällöin toisiojännitteitä U ei rajoiteta, kuten tavanomaisessa virtamuuntajassa, ja käämikerrosten lukumäärä järjestetään alhaiseksi. Nämä molemmat ehdot nostavat magnetointivirran arvon niin suureksi, että muuntaja saadaan kyllästymään.

10 Virtamuuntajan 3 sydänmateriaaliksi on valittu korkean permeabiliteetin P omaava materiaali. Tällaisia materiaaleja ovat mm. puhdas rauta (P = 180000) ja eräät raudan ja nikkelin seokset, kuten 78 Permalloy (P= 100000). Eräs tällainen sydänmateriaaliksi sopiva kaupallisesti saatava materiaali on NANOPERM™. Tämän materiaalin saturaatiovuontiheys on 1,2 T ja permeabiliteetti maksimissaan 80 000. Virta-15 muuntajan 3 ensiökäämin W1 johdinkierrosten lukumäärä järjestetään pienemmäksi tai yhtä suureksi kuin 10. Lisäksi virtamuuntajan ensiökäämin johtimen poikkipinta-alaksi järjestetään vähintään 0,75 mm2, jotta virtamuuntaja voi käsitellä suuria virtoja, kuten esim. 10 A. Virtamuuntajan 3 toisiokäämin W2 johdinkierrosten lukumäärä järjestetään suuremmaksi tai yhtä suureksi kuin 200. On myös edullista, et- :.' · 20 tä virtamuuntajan 3 sydän toteutetaan toroidirenkaan avulla.

. . ·. Lasketaan havainnollistavana esimerkkinä, mikä on toisiokäämin VV2 sinimuotoisen [ ”: toisiojännitteen U huippuarvo, jolla virtamuuntaja 3 ei kyllästy.

:· Virtamuuntajan maksimikäämivuo on:

Xmax = N X Ac X Bs 25 jossa N = käämin kierrosluku 300 ', ‘ ·; Ac = toroidirenkaan poikkipinta-ala 0,24 x 10’6 m2

Bs = toroidimateriaalin saturaatiovuontiheys 1,2 T

0’ Xmax * 8,64 x 10'3 Vs , ·/ 30 Toisaalta käämivuo voidaan laskea sinimuotoisen toisiojännitteen integraalista: : ’ ·.: o ίχω Umax sin cot dt = 2xUmax/ ω 6 11350?

Umax = toisiojännitteen huippuarvoja ω = kulmataajuus 2 πί Tästä saatavan käämi vuon arvon on oltava < λ^αχ eli

2xUmax / co < Xmax <=> Umax < λmax πί = 8,64 x 10*3 Vs x 3,14 x 50 Hz « 1,36 V

5 Kuten jäljempänä tarkemmin selostetuista kuvista 4A ja 4B käy ilmi, virtamuunta-jan 3 minimikuormalla toisiojännitteen huippuarvo on ainakin 9V, joka on selvästi suurempi kuin edellä saatu laskennallinen sinimuotoisen toisiojännitteen maksimiarvo 1, 36 V. Näin ollen muuntaja 3 kyllästyy esitetyillä lähtöarvoilla.

Toinen keksinnön mukainen sähkökytkimen 1 tehonsyöttöjäijestely on esitetty ku-10 viossa 2. Sähkökytkin 1 käsittää tässä tapauksessa varsinaisena kytkinelimenä rele-kytkimen 11, erityisesti bistabiilin relekytkimen. Bistabiili relekytkin tarvitsee sähkötehoa vain silloin, kun sen tilaa muutetaan johtavasta tilasta ei-johtavaan tai päinvastoin. Se on siis tehon kulutuksen kannalta edullinen kytkinelin. Tässä sovellus-esimerkissä virtamuuntajan 3 toisiokäämi W2 käsittää kaksi käämiä W2a, W2b, jot-15 ka on kytketty sarjaan. Tasasuuntaajia, edullisimmin kokoaaltotasasuuntaajia, on kaksi 4a, 4b. Ensimmäinen tasasuuntaajan 4a tulo on kytketty vain ensimmäisen käämin W2a yli, kun taas toisen tasasuuntaajan tulo on kytketty kummankin toi-siokäämin W2a, W2b yli. Vakiojännitelähteeseen 5 kuuluu kaksi kondensaattoria Cl, C2, joista ensimmäinen kondensaattori Cl on kytketty ensimmäisen tasasuun-. ·: ·. 20 taajan 4a lähtöön ja toinen kondensaattori C2 toisen tasasuuntajan 4b lähtöön.

'·- Vaihtosähkölähde E, kuten sähköverkon yksi vaihe, tuodaan sähkökytkimen rele- ’ *" · kytkimen 11 kautta kuormalle L ja kuorman kautta verkon nollaan, jolloin muodos- tetaan relekytkimellä suljettava ja vastaavasti avattava virtapiiri. Kun sähkökytki-: ·' men relekytkin 11 on auki eli se on ei-johtavassa tilassa, se edustaa suurta impe- 25 danssia. Tällöin sähkökytkimen osille muodostetaan niiden toiminnan kannalta tarpeellinen sähköteho kuorman L kautta kulkevan pienen virran avulla. Tätä tarkoitusta varten vaihtojännitelähde 5 sisältää jännitteenpudotuspiirin 51, joka on yhdis-: tetty relekytkimen 11 ja virtamuuntajan 3 ensiokäämin W1 yli. Vallitseva verkko- ’. · ’ jännite E muunnetaan jännitteenpudotuspiirillä 51 sopivaksi pieneksi toimintajännit- ;*. 30 teeksi. Kondensaattorit Cl ja C2 ladataan tällöin tästä toimintajännitteestä. Ensim- mäiseltä kondensaattorilta Cl syötettään virtaa sähkökytkimen ohjausyksikölle 2.

C.,: Kondensaattoriin C2 ladataan ainoastaan relekytkimen 11 tilan vaihtamiseen tarvit- : ’. ·. tava energia. Kun relekytkin 11 on stabiilissa tilassa, kondensaattoria C2 kuormittaa ’. _'; ainoastaan sen oma hyvin pieni vuotovirta.

113502 7 Sähkökytkimen ohjausyksiköltä 2 annetaan ohjaustieto kytkeä relekytkin 11 päälle eli johtavaan tilaan sopivalla ohjauspulssilla. Ohjausyksikkö 2 vuorostaan saa ohjauksensa esim. ulkopuoliselta anturilta, kuten PIR, tai ajastimelta. Relekytkimellä 11 on johtavassa tilassa pieni impedanssi. Kun relekytkin 11 on päällä, kuormavirta 5 alkaa kulkea relekytkimen 11 kautta, ja sähkökytkimen yli vallitseva jännite putoaa lähelle nollaa. Kondensaattorin C2 jännite putoaa aikaisempaan nähden alemmalle tasolle, koska relekytkin 11 kuluttaa ohjaustehoa. Kondensaattorin Cl jännite alkaa laskea, koska ohjausyksikkö 2 kuormittaa sitä koko ajan. Samanaikaisesti kun kuormavirta alkaa kulkea relekytkimen läpi, virtamuuntaja 3 alkaa toimia. Koska vir-10 tamuuntajan 3 toisiokäämit W2a ja W2b on kytketty sarjaan, kondensaattorin C2 jännite asettuu olennaisesti toisiokäämeistä saatavan jännitesumman tasolle (vähennettynä kokoaaltotasasuuntaimen 4b jännitehäviöillä) ja vastaavasti kondensaattorin Cl jännite ensimmäisestä toisiokäämistä W2 saatavan jännitteen tasolle (vähennettynä kokoaaltotasasuuntaimen 4a jännitehäviöt). Ajan kuluessa saavutetaan jän-15 nitetasapaino, jossa kondensaattorin C2 vuoto virta on yhtä suuri kuin virtamuunta-jasta 3 saatava kondensaattorin latausvirta. Tällöin kondensaattorin C2 jännite pysyy riittävän korkeana, jotta sähkökytkimen relekytkin 11 on mahdollista ohjata pois päältä. Kondensaattorin C1 jännite pysyy tasolla, joka on riittävä sähkökytkimen toiminnan ylläpitämiseen.

20 Ohjausyksiköltä 2 annetaan ohjaustieto relekytkimen 11 kytkemiseksi pois päältä .·. : jälleen sopivalla ohjauspulssilla. Ohjausyksikkö 2 vuorostaan saa ohjauksensa ulko- ' puolelta, kuten edellä relekytkintä 11 päälle kytkettäessäkin. Tällöin kuormavirran kulku katkeaa. Sähkökytkimen yli vaikuttaa jälleen verkkojännite. Kondensaattorin C2 jännitetaso saattaa pudota hieman, mutta kondensaattoria aletaan välittömästi la-’ 25 data jännitteenpudotuspiirin 51 kautta. Samalla tavalla lataamalla ylläpidetään kon- ’ · ‘ · densaattorin C l jännitetasoa.

Kolmas keksinnön mukainen sähkökytkimen 1 tehonsyöttöjärjestely on esitetty kuviossa 3. Sähkökytkin käsittää tässä tapauksessa varsinaisina kytkinkomponentteina relekytkimen 11, erityisesti bistabiilin relekytkimen, ja sen rinnalle järjestetyn kak-. . 30 sisuuntaisen puolijohdekytkimen 12, tässä sovelluksessa triacin. Muilta osin kuvion 3 sähkökytkin ja sen tehonsyöttö vastaavat kuvion 2 sähkökytkintä tehonsyöttöi-. neen. Puolijohdekytkin 12 on järjestetty johtamaan silloin, kun relekytkimen 11 :,·* kontaktit suljetaan ja avataan. Näin estetään relekytkimen 11 kontaktien kipinöinti.

Puolijohdekytkimella 12 voidaan toteuttaa myös nk. nollapistekytkin. Tämä tarkoit-35 taa sitä, että kuorman sähköteho kytketään päälle ja pois aina verkkovaiheen nolla- 8 113502 kohdassa. Etuna tällaisesta järjestelystä on, että sähkökytkimellä voidaan kytkeä ja ohjata kaikkia kuormatyyppejä: resistiivisiä, kapasitiivisia ja induktiivisia kuormia.

Sähkökytkin ja sen tehonsyöttö kuviossa 3 toimivat periaatteessa samalla tavalla kuin edellä kuvion 2 sovelluksessa ja viittaamme edellä esitettyyn toimintaselostuk-5 seen. Kuvion 3 sähkökytkimessä on esitetty havainnollisena esimerkkinä eräitä edullisia toteutuksia kondensaattoreiden Cl, C2 liitäntävirtapiireille ja jännitteena-lennuspiirille 51. Ohjausyksikkö 2 on myös esitetty havainnollisesti kahtena piiriyk-sikkönä: varsinaisena ohjausyksikkönä 2a ja kytkinkomponenttien 11, 12 tehonsyöt-töyksikkönä 2b. Tässä sovellusesimerkissä ohjausyksikköä ohjataan lisäksi passiivi-10 seita infrapuna-anturilta PIR saatavilla ohjaussignaaleilla.

Jännitteenalennuspiiri 51 käsittää kolmannen kondensaattorin C3, vastuksen Rl ja zenerdiodin Zl. Ensimmäisen ja toisen kondensaattorin Cl, C2 liitäntäpiirit käsittävät ensimmäisen ja vastaavasti toisen diodin Dl, D2. Kondensaattorit Cl, C2 on kytketty vastaavien tasasuuntajien 4a, 4b lähtöjen yli. Diodi Dl, D2 on kytketty vas-15 tasuuntaisesti ja katodinapa kondensaattorin Cl, C2 jännitenapaan. Diodien Dl, D2 anodinavat on yhdistetty toisiinsa ja edelleen zenerdiodin Zl katodinapaan, joka vuorostaan on kytketty sarjaan järjestettyjen vastuksen ja kolmannen kondensaattorin C3 kautta kuoman L ja kytkimen 11 väliin. Zenerdiodin Zl anodinapa on yhdistetty vaihtojännitelähteeseen eli vaihejohtoon. Ensimmäisen kondensaattorin Cl 20 jännitenapa on yhdistetty ohjausyksikköön 2, erityisesti varsinaiseen ohjausyksik-• köön 2a sen tehonsyötön järjestämiseksi. Toisen kondensaattorin C2 jännitenapa on myös yhdistetty ohjausyksikköön 2, erityisesti sen tehonsyöttöyksikköön 2b.

Kun sähkökytkimen 1 relekytkin 11 on auki, ohjausyksikön 2 sähköteho muodostetaan kuorman L ja jännitteenalennuspiirin 51 kondensaattorin C3, vastuksen Rl ja ': 25 zenerdiodin Zl avulla. Kondensaattorit Cl ja C2 ladataan tällöin zenerdiodin Zl ra- ' ..' jaamaan jännitepotentiaaliin (vähennettynä diodin Dl ja D2 kynnysjännitteellä).

:v. Kun sähkökytkimen 1 ohjausyksiköltä annetaan ohjaustieto kytkeä relekytkin 11 ,··. päälle, ohjausyksiköltä 2 annetaan ensin ohjauspulssi (pituus noin 40 ms) puolijoh- dekytkimelle 12 ja hiukan myöhemmin (noin 10 ms) relekytkimelle 11. Tällöin •.. · 30 kuormavirta alkaa kulkea kytkimien 11,12 kautta.

Kun sähkökytkimen 1 ohjausyksiköltä annetaan ohjaustieto relekytkimen 11 kytke-* : ’ miseksi pois päältä, ohjausyksiköltä 2 annetaan ohjauspulssi (pituus noin 40 ms) puolijohdekytkimelle 12 ja hiukan myöhemmin (noin 10 ms:n kuluttua) ohjataan relekytkin 11 pois päältä. Tällöin kuormavirran kulku katkeaa ja sähkökytkimen 1 yli 11350? 9 vaikuttaa jälleen verkon potentiaali. Kondensaattoria C2 aletaan ladata jännitteen-alennuspiirin 51 kondensaattorin C3 ja vastuksen Rl kautta, kunnes zenerdiodi Z1 rajoittaa jännitteen nousun. Kondensaattorin Cl jännite nousee samaan potentiaaliin.

5 Virtamuuntajan 3 ensiökäämin johdinkierrosten lukumäärä on luokkaa 10 tai jopa sen alle. Ensimmäisen ja toisen toisiokäämin W2a, W2b johdinkierrosten lukumäärät ovat minimissään luokkaa 200, edullisesti välillä 200 - 400.

Kuviossa 4A on esitetty oskilloskoopilla mitatut kuvion 3 mukaisen sähkökytkimen virtamuuntajan 3 toisiojännitepulssit, kun kuormana L on 25 W:n hehkulamppu. 10 Ensimmäinen toisiojännite UI on mitattu ensimmäisen toisiokäämin W2a yli. Toinen toisiojännite U2 on mitattu molempien toisiokäämien W2a ja W2b yli. Toi-siojännitteiden UI, U2 kyllästyspiikin maksimijännitearvot ovat mittausten mukaan 9 V ja vastaavasti 14 V. Kuviossa 4B on esitetty vastaavat toisiojännitteet UI, U2, kun kuormana on 100 W:n hehkulamppu. Suuremmalla kuormavirralla toisiojännit-15 teen UI, U2 kyllästyspiikin KP kesto lyhenee, mutta vastaavasti jännitetaso kasvaa. Toisiojännitteiden UI, U2 kyllästyspiikin KP maksimijännitearvot ovat tällöin mittausten mukaan 18 V ja vastaavasti 30 V.

Sähkökytkin 1 ja sen tehonsyöttöjärjestely on keksinnön edullisimmassa sovellus-esimerkissä tarkoitettu sijoitettavaksi seinärasiaan, erityisesti uppoasennettavaan ; 20 seinärasiaan, jossa on rajoitetusti tilaa sähkökytkimen osille. Erään sähkökytkimen

1 virtamuuntaja 3 rakennettiin ulkohalkaisijaltaan 20 mmm toroidirenkaalle. Ren-. _ kaan materiaalina käytettiin NANOPERM™-materiaalia (valmistaja: MAGNETEC

GmbH). Seuraavassa on luettelo virtamuuntajan 3 käämien kierroslukumääristä ja ’ [ käytetyistä johtimista: 25 W1 : 6 kierrosta 0,75 mm2 eristetty johdin

» » I

W2a: 300 kierrosta 0 0,18 mm kupari : v. W2b 200 kierrosta 0 0,18 mm kupari

Testien perusteella sähkökytkin toimii moitteettomasti halutuilla kuormavirroilla ; ' ; 100 mA - 10 A.

I t | ! » 30 Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitettyä sovellusesimerkkiä koskevaksi, vaan : ; : monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän ; * · keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (9)

10 1 13502 Paten tti vaati m u kset

1. Menetelmä sähkökytkimen (1) tehonsyötön toteuttamiseksi, jossa kytkin on järjestetty virtatielle (J) vaihtovirtalähteen (E), edullisesti vaihtovirtaverkon, ja kuorman (L) väliin sähkön syötön katkaisemiseksi ja sallimiseksi ja joka kytkin on 5 myös järjestetty virtamuuntajan (3) ensiöpiirin (Wl) kanssa sarjaan ja jossa kytkimen ohjausyksikön (2) ja mahdollisesti itse kytkimen vaatima sähköteho otetaan kytkimen yli, silloin kun kytkin on auki (a), ja virtamuuntajan toisiopiiristä (W2) tasasuuntaajan (4) kautta silloin, kun kytkin on kiinni ja sähköä syötetään kuormaan (L), tunnettu siitä, että virtamuuntaja (3) järjestetään toimimaan siten, että se kyl-10 lästyy jokaisella verkkovirran puolijaksolla, ja virtamuuntajan toisiopiirin (W2; W2a, W2b) toisiojännitteen kyllästyspiikit (KP) tasasuunnataan tasasähkötehon saamiseksi silloin, kun kytkin (1) on kiinni (k).

2. Sähkökytkimen (1) tehonsyöttöjäqestely, jossa kytkin on järjestetty virtatielle (J) vaihtovirtalähteen (E), edullisesti vaihtovirtaverkon, ja kuorman (L) väliin säh- 15 kön syötön katkaisemiseksi ja sallimiseksi ja joka kytkin on myös järjestetty virta-muuntajan (3) ensiöpiirin (Wl) kanssa sarjaan ja jossa sähkökytkimen ohjausyksikön (2) ja mahdollisesti itse kytkimen vaatima sähköteho on järjestetty otettavaksi kytkimen yli, silloin kun kytkin (1) on auki (a) ja sähkön syöttö kuormaan on katkaistu, ja virtamuuntajan toisiopiiristä (W2) tasasuuntaajan (4) kautta, silloin kun 20 kytkin on kiinni ja sähköä syötetään kuormaan (L), tunnettu siitä, että virtamuunta-:ja (3) on järjestetty toimimaan siten, että se kyllästyy jokaisella verkkovirran puoli-y: jaksolla ja virtamuuntajan toisiopiirin (W2; W2a, W2b) toisiojännitteen kyllästys- : piikit (KP) syötetään tasasuuntaajaan (4; 4a, 4b) tasasähkötehon saamiseksi silloin, •: · kun kytkin (1) on kiinni (k). ’ 25

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kytkimen tehonsyöttöjärjestely, tunnettu sii tä, että virtamuuntajan (3) sydänmateriaali on korkean permeabiliteetin omaavaa materiaalia.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kytkimen tehonsyöttöjärjestely, tunnettu siitä, että virtamuuntajan (3) sydänmateriaali on NANOPERMiä™.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen kytkimen tehonsyöttöjärjestely, tunnet- tu siitä, että virtamuuntajan (3) ensiökäämin (Wl) johdinkierrosten lukumäärä on yhtä suuri tai pienempi kuin 10. 11350?

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen kytkimen tehonsyöttöjärjestely, tunnettu siitä, että virtamuuntajan (3) ensiökäämin (Wl) johtimen poikkipinta-ala on vähintään 0. 75 mm2.

7. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen kytkimen tehonsyöttöjärjeste-5 ly, tunnettu siitä, että virtamuuntajan (3) sydän on toteutettu toroidirenkaan avulla.

8. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen kytkimen tehonsyöttöjärjestely, tunnettu siitä, että virtamuuntajan (3) toisiokäämin (W2; W2a, W2b) johdin-kierrosten lukumäärä on suurempi tai yhtä suuri kuin 200.

9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen kytkimen tehonsyöttöjärjeste-10 ly, tunnettu siitä, että virtamuuntajassa (3) on kaksi toisiokäämiä (W2a, W2b), joiden kautta tehonsyöttö järjestetään toisaalta kytkimen (1) ohjausyksikölle (2) ja toisaalta itse kytkimelle (11,12).