FI114055B - Hakkuriteholähde - Google Patents

Description

j 114055

Hakkuriteholähde - Chopperkraftkälla

Keksinnön kohteena on itsenäisen patenttivaatimuksen johdanto-osan mukainen 5 hakkuriteholähde, joka soveltuu erityisesti halogeenimuuntajaksi.

Hakkuriteholähteeseen kuuluu hakkuri, tätä seuraava muuntaja ja tasasuuntaaja. Hakkuriteholähteessä syötettävää tasasuunnattua vaihtojännitettä katkotaan hakku-rissa korkealla taajuudella, korkeataajuinen jännite syötettään muuntajaan ja tasa-10 suunnataan lähtöjännitteen tuottamiseksi. Hakkurin kytkinyksikön ohjaussignaalina toimivan sakara-aallon tai vastaavan taajuus, pulssisuhde (engl. duty cycle) ja muuntajan muuntosuhde vaikuttavat lähtötasajännitteen suuruuteen. Hakkuriteholähteen etuna on, että siinä voidaan korkeasta kytkentätaajuudesta johtuen käyttää pienikokoisia muuntajia ja induktansseja ja että sen hyötysuhde on korkea.

15

Ennestään tunnetaan kahdesta rinnakkaisesta hakkuriyksiköstä muodostuva hakkuriteholähde mm. julkaisuista US-4338658, WO-93/24987 ja US-4814913.

Epäkohtana ennestään tunnetuissa halogeenimuuntajina käytetyissä hakkuriteholäh- 20 teissä on, että lähtöjännite on huonolaatuista korkeataajuista vaihtosähköä. Tästä johtuen valaisinkuorma on sijoitettava suhteellisen lähelle teholähdettä. Kun teho- : . *. lähteen ja kuorman välinen etäisyys ja samalla johtimien pituus kasvaa, induktiiviset häviöt kasvavat ja teholähteen hyötysuhde pienenee. Teholähteessä muodostettu ’ ‘. korkeataajuinen pulssittainen lähtöjännite voidaan häviöiden pienentämiseksi muun- 25 taa suodattamalla korkealaatuiseksi tasajännitteeksi, mutta se merkitsee hakkurite- ”·; holähteeseen lisäyksikköä, johon usein kuuluu mm. monia keloja ja kondensaatto- • · · '; | * reita. Halogeenivalaisimet eivät kuitenkaan tarvitse toimiakseen korkealaatuista ta- v ‘ sajännitettä, joten tehokas lähtöjännitteen suodatus on tällaisessa yhteydessä turhaa.

Se vain monimutkaistaa hakkuriteholähdettä ja nostaa näin sen valmistuskustannuk-30 siä.

; Keksinnön tarkoituksena on tuoda julki uusi yksinkertainen ja tehokas hakkuriteho- lähde, joka on ominaisuuksiltaan, erityisesti hyötysuhteeltaan ja lähtöjännitteen laa-dun suhteen, sopiva erityisesti halogeenimuuntajaksi ja siis yhden tai useamman v 35 halogeenivalaisimen tehonsyöttöön. Keksinnön mukainen hakkuriteholähde sovel- ; tuu myös muunlaisten kuormien tehonsyöttöön, jotka kuormat eivät vaadi toimiak seen korkealaatuista tasajännitettä, mutta jossa lähtöjännitteen tulee kuitenkin täyttää tietyt minimivaatimukset.

2 114055

Keksinnön mukaiselle hakkuriteholähteelle on tunnusomaista se, mitä itsenäisessä patenttivaatimuksessa on esitetty.

5 Keksinnön mukaisesti hakkuriteholähteeseen kuuluu kaksi rinnakkaista hakkuriyk-sikköä, joihin kumpaankin kuuluu hakkuri, muuntaja ja tasasuuntaaja, jotka hakkurit on kytketty toisiinsa vaihesiirrossa ja joiden tasasuuntaajien vaihesiirretyt sykkivät jännitteet on yhdistetty toisiinsa lähtöjännitteen muodostamiseksi. Keksinnön mukaiselle hakkuriteholähteelle on tunnusomaista se, että kumpikin hakkuriyksikkö on 10 toteutettu sinänsä tunnetun puolisiltaohjaimen avulla; ensimmäinen hakkuriyksikkö on järjestetty antamaan ohjaus toiselle hakkuriyksikölle olennaisesti asteen vaihe-siirrolla; ja puolisiltaohjaimet on kytketty toisiinsa vastuksen avulla vaihesiirron toteuttamiseksi.

15 Keksinnön etuna on, että hakkuriteholähteen lähtöjännite on hyvälaatuista kokoaal-totasasuunnattua jännitettä. Lähtöjännite on taajuudeltaan 100 Hz:n kokoaaltotasa-suunnattua sinimuotoisesti vaihtelevaa jännitettä silloin, kun syöttöjännite on koko-aaltotasasuunnattua 50 Hz:n verkkojännitettä. Lähtöjännitteen väre (engl. ripple) on niin vähäistä, ettei sen vaimentamiseen tarvita lisäkomponentteja, erityisesti isoa 20 kondensaattoria. Tällöin kuorma, erityisesti halogeenivalaisin, voidaan sijoittaa suhteellisen kauas hakkuriteholähteestä. Liitäntäjohtimien pituutta rajoittaa vain niiden : .·. muodostama sähköinen vastus. Johtimien induktiiviset häviöt ovat lähes olematto- mat. Näin esim. halogeenivalaisimet voidaan sijoittaa jopa kymmenien metrien pää- • » · * \ hän teholähteestä.

*.:! 25 ·**; Keksinnön etuna on edelleen, että hakkuriteholähteen hyötysuhde on parempi kuin '··'·* tavanomaisten halogeenimuuntajina käytettyjen hakkuriteholähteiden. Tämä johtuu *.· * lähtöjännitteen hyvästä sinimuotoisuudesta.

30 Edelleen etuna on, että hakkuriteholähde voidaan toteuttaa kooltaan pienenä ja ke-vyenä yksikkönä. Sen yhteydessä ei tarvita isoa kondensaattoria tai vastaavaa lisä-suodatinta, kuten edellä on todettu.

* * · · I

’;·’ Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin piirus- : : 35 tuksiin, joissa kuvio 1 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaista hakkuriteholähdettä; kuvio 2 esittää piirikaaviona erästä keksinnön mukaista hakkuriteholähdettä; 3 114055 kuvio 3 esittää hakkuri yksikköjen vuorovaihteistettuja ohjausjännitteitä; kuvio 4 esittää hakkuriteholähteen lähtöjännitettä; ja kuvio 5 esittää hakkuriteholähteen lähtöjännitteen verhokäyrää.

Tavanomaiseen hakkuriteholähteeseen kuuluu vaihtosuuntaaja eli hakkuri, muuntaja 5 ja tasasuuntaaja. Hakkurin kytkentäyksikköön syötetään tulosähkötehona tasajänni-tettä, joka on saatu yleisestä vaihtovirtaverkosta sopivan tasasuuntaajan, kuten dio-disillan, kautta (tai tasavirtalähteestä, kuten akusta tai vastaavasta). Tulojännite muutetaan hakkurilla suurtaajuiseksi vaihtosähkötehoksi, joka syötetään LC-piiriin. Muuntaja ja vaimennuskondensaattorit muodostavat ainakin osan LC-piiriä. Muun-10 tajan kautta suurtaajuinen vaihtosähkö johdetaan tasasuuntaajaan, josta saadaan suuruudeltaan ennalta määrätty lähtötasajännite kuormaa varten.

Ongelmana tunnetussa hakkuriteholähteessä on, että hakkuria ja LC-piiriä seuraa-vassa tasasuuntaajassa joudutaan käyttämään monimutkaista suodatinjärjestelyä kon-densaattoreineen ja induktansseineen, jotta lähtöjännitteeseen ei muodostuisi sellaista 15 jännitekomponenttia, joka on amplitudiltaan suurta ja taajuudeltaan korkeata aaltoilua eli värettä. Tällainen suurtaajuinen värejännite aiheuttaa mm. radiohäiriöitä. Tunnetussa hakkuriteholähteessä nimenomaan lähtöjännitteen laadun nostaminen on työläs ja suhteellisen kallis toteuttaa.

Keksinnön mukainen hakkuriteholähde on esitetty lohkokaavion muodossa kuviossa : 20 1. Tähän hakkuriteholähteeseen kuuluu kaksi rinnakkaista hakkuriyksikköä 1, 2, . v! joihin kumpaankin kuuluu hakkuri la, 2a, muuntaja Ib, 2b ja tasasuuntaaja le, 2c.

» ♦ * ' \ Hakkurit la, 2a on kytketty toisiinsa vaihesiirrossa ja tasasuuntaajien le, 2c lähdöt, joissa esiintyy toisiinsa nähden vaihesiirrettyä sykkivää jännitettä, on yhdistetty toi- * 4 · ; siinsa lähtöjännitteen muodostamiseksi.

• · 25 Ensimmäinen hakkuriyksikkö 1 on järjestetty antamaan ohjaus toiselle hakkuriyk-sikölle 2 ennalta määrätyllä vaihesiirrolla, edullisimmin 90° :n vaihesiirrolla. Tällä menettelyllä voidaan muodostaa esim. 200 W:n syöttötehon omaava hakkuriteho-,···, lähde kahden rinnakkaisen hakkuriyksikön 1, 2 avulla, joiden kummankin hakkuri- yksikön 1, 2 lähtöteho on 100 wattia. Näin hakkuriteholähteen fyysinen koko saa-’ · ” · 30 daan pieneksi kahden pienen hakkuriyksikön avulla.

• i ·

Hakkuriyksiköt 1, 2 on edullisesti toteutettu vuorovaiheisina puoliaaltomuuntimina, ‘ kuten esim. kuviosta 2 käy ilmi. Tällöin kuhunkin hakkuriin la, 2a kuuluu kaksi i vuorovaiheisesti toimivaa puolijohdekytkintä, joiden ohjauksiin on lisätty ns. kuollut aika, joka on luokkaa 1,2 ps. Tällä menettelyllä varmistetaan se, että puolijohde- 114055 4 kytkimet eivät ole yhtä aikaa johtavassa tilassa. Tästä kuolleesta ajasta johtuu tavanomaisen hakkuriteholähteen lähtöjännitteeseen muodostuva väre - jopa niin, että lähtöjännite pääsee hetkellisesti putoamaan lähes nollatasoon. Keksinnön mukaisessa hakkuriteholähteessä hakkuriyksiköiden 1, 2 toistensa suhteen vaihesiirretyt 5 sykkivät tasajännitteet on yhdistetty toisiinsa teholähteen lähtöpäässä. Tämän seurauksena lähtöjännitteen kuolleet jännitekohdat voidaan välttää ja hakkuriyksiköiden 1,2 yhdistetty lähtöjännite on säännöllistä sykkivää jännitettä.

Eräs keksinnön mukainen hakkuriteholähde on esitetty piirikaaviona kuviossa 2. Yleinen sähköverkko tai vastaava vaihtosähkölähde Y on yhdistetty ensimmäisen ta-10 sasuuntaajan 3, kuten diodisillan, kautta keksinnön mukaiseen hakkuriteholähteeseen. Hakkuriteholähteeseen kuuluu kaksi hakkuriyksikköä 1, 2, jotka on kytketty rinnan kuviossa 2 esitetyllä tavalla. Kumpaankin hakkuriyksikköön 1, 2 kuuluu, kuten kuviossa 1 on jo esitetty, hakkuri la, 2a, muuntaja Ib, 2b ja toinen tasasuuntaaja le, 2c. Kumpikin hakkuriyksikkö 1, 2 on toteutettu vuorovaiheisena puoliaalto-15 muuntimena. Tasasuuntaajalta 3 saatu sähköteho muunnetaan hakkurissa la, Ib suurtaajuiseksi vaihtosähkötehoksi. Hakkurissa la, Ib käytetään kytkinyksikkönä tehokanavatransistoriparia 5a, 5b, edullisesti MOSFET-paria ja näiden ohjaamiseen puolisiltaohjainta 4a, 4b, kuten tähän tarkoitukseen suunniteltua kaupallisesti saatavaa integroitua piiriä IR 2155 (valmistaja: International Rectifier). Kanavatransisto-20 riparit 5a, 5b on kytketty puolisiltaan, jonka sillan toiseen haaraan vuorostaan on kytketty vaimennuskondensaattorit 6a, 7a; 6b, 7b. Kummankin hakkuriyksikön 1, 2 • · · •‘••1 LC-resonanssipiiriin kuuluu kondensaattorit 6a, 7a; 6b, 7b ja muuntaja Ib, 2b. Tasa- :.v suuntaaja le, 2c on muodostettu kahdesta diodista, kuten Schottky-diodeista 8a, 9a; 8b, 9b. Parempaan hyötysuhteeseen kuin diodeilla päästään käyttämällä aktiivista •: * 25 tasasuuntausta.

• » '!! Puolisiltaohjaimen 4a, 4b, erityisesti piirin IR 2155, toimintataajuus asetetaan tunne tulla tavalla ulkoisilla komponenteilla, kuten vastuksella ja kondensaattorilla. Synkronointi ja vaihesiirto vaihtosuuntaajien la, Ib ja samalla hakkuriyksiköiden 1, 2 • « välillä toteutetaan pelkän vastuksen avulla, joka sovitetaan puolisiltaohjäimien 4a, . · 30 4b väliin.

Ensimmäisen puolisiltaohjaimen 4a toimintataajuus asetetaan napoihin 2', 3' ja 4' ' ·' liitetyillä vastuksella 10a ja kondensaattorilla 11a. Toisen puolisiltaohjaimen 4b : toimintataajuus asetetaan vastaavasti vastuksella 10b ja kondensaattorilla 1 Ib, jotka : on nyt liitetty napoihin 3 ja 4'. Puolisiltaohjaimien 4a, 4b toimintataajuudet asete- 35 taan samaan taajuusarvoon, mutta toisen puolisiltaohjaimen 4b toimintataajuus asetetaan 90 asteen vaihesiirtoon ensimmäisen puolisiltaohjaimen 4a toimintataajuuden 114055 5 suhteen siten, että toisen puolisiltaohjaimen vastus 10b yhdistetään tämän ohjaimen navan 2' sijasta ensimmäisen puolisiltaohjaimen 4a vastaavaan napaan 2', johon myös tämän ohjaimen vastus 10a on yhdistetty. Vaihesiirron yksinkertainen toteutus perustuu siihen tosiasiaan, että puolisiltaohjaimen IR 2155 oskillaattori on toteutettu 5 perinteisen ajastinpiirin 555 avulla.

Puolisiltaohjaimen 4a, 4b tehonsyöttö on järjestetty käynnistysvaiheessa jännitteen alennusvastusten 12a, 12b avulla ja toimintavaiheessa muuntajan Ib, 2b apukäämin 13a, 13b kautta. Tasasuuntaajan 3 lähtöjännite kytketään hakkurien la, 2a ohjaamana muuntajan Ib, 2b ja tasasuuntaajan le, 2c kautta hakkuriteholähteen lähtönapoi-10 hin L kytkettyyn kuormaan K. Hakkurien la, Ib yhteydessä on lisäksi oikosulku- ja lämpösuojapiiri 14. Oikosulkutilanteessa tämä piiri 14 kytkee hakkurien la, Ib käyttöjännitteet maahan.

Hakkuriyksiköiden 1, 2 vuorovaiheistetut ohjausjännitteet U0i, U02 on esitetty havainnollisesti kuviossa 3. Nämä jännitteet on mitattu kuvion 2 mukaisen hakkurite-15 holähteen puolisiltaohjäimien 4a, 4b navoista 2'. Kuviosta 3 voidaan havaita sykkivien tasajännitteiden U0p U02 välinen vaihesiirto, joka on noin 90°. Puolisiltaohjaimen 4a, 4b toimintataajuus on tässä sovelluksessa noin 43 kHz.

Kuvion 2 mukaisen hakkuriteholähteen vuorovaiheohjattujen muuntajien Ib, 2b ja tasasuuntaajien le, 2c lähtöjännitteen Ul käyrämuoto käy ilmi kuviosta 4. Kuten : . ·. 20 lähtöjännitteen Ul käyrämuodosta voidaan nähdä, sen hetkellinen arvo pysyy suh- ;:v teellisen tasaisena eikä se koskaan putoa nollaan. Lähtöjännitteessä Ul ei siis esiin- # * · ' ny kuolleesta ajasta johtuvia katkoskohtia, kuten tavanomaisessa hakkuriteholäh teessä, vaan lähtöjännite pysyy olennaisesti vakiona halutulla ennalta määrätyllä tasolla.

; 25 Kuviossa 5 on esitetty kuvion 2 hakkuriteholähteen lähtöjännitteen Ul verhokäyrä

Uv. Vaaka-akselin aikajakoa on merkittävästi kasvatettu kuvioon 4 nähden, jolloin jännitteen verhokäyrä on saatu näkyviin. Tämä verhokäyrä Uv vastaa muodoltaan !! erittäin säännöllistä taajuudeltaan 100 Hz:n sykkivää kokoaaltotasasuunnattua vaih- ' tosähköä, kun perussähkölähteen Y eli sähköverkon taajuus on 50 Hz. On huomat- 30 tava, että keksinnön mukaisen hakkuriteholähteen lähdössä tasasuuntaajien le, 2c _: jälkeen ei ole isoa (elektrolyytti)kondensaattoria, johon sähkötehoa voitaisiin varas toida lähtöjännitteen verhokäyrän Uv tasaamiseksi. Lisäksi on huomattava, että il-. man hakkurien la, 2a vaihesiirtoa verhokäyrän Uv sisällä olisi havaittavissa voima kas väre.

114055 6

Koska keksinnön mukaisessa hakkuriteholähteessä ei ole tasasuuntaajaa le, 2c seu-raavaa isoa (elektrolyytti)kondensaattoria, verhokäyrän Uv taajuus pysyy vakiona eli tässä sovelluksessa 100 Hz. Etuna tällöin on, että keksinnön mukaisen hakkuriteholähteen sähköverkosta ottama sähkövirta pystytään pitämään erittäin sinimuotoisena.

5 Näin teholähteen hyötysuhde säilyy korkeana.

Edellä keksintöä on selostettu lähinnä sen yhteen sovellukseen viittaamalla, mutta on selvää, että keksintöä voidaan muunnella oheisina seuraavien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (1)

15 Patentkrav Chopperkraftkälla, innefattande tvä parallella chopperenheter (1,2), varvid vardera enheten innefattar en chopper (la, 2a), en transformator (Ib, 2b) och en likriktare (le, 2c), vilka chopprar (la, 2a) är kopplade tili varandra med fasförskjutning och 20 fasförskjutna pulserande spänningar frän likriktama (le, 2c) sammansläs för att bilda en utgängsspänning (Ul), kännetecknad av att : ,- vardera chopperkraftkällan (1, 2) är utförd med hjälp av en i och för sig känd halv-• · Y. ’ bryggsstyrenhet (4a, 4b); • \ - den första chopperenheten (1) är anordnad att ge styrning tili den andra chopper- 25 enheten (2) med väsentligt 90 graders fasförskjutning; och - halvbryggsstyrenheterna (4a, 4b) är kopplade tili varandra med ett motständ (10b) •.;.: för att utföra fasförskjutningen. » I » I < ·