FI116493B - Ohjauspiiri ja menetelmä kuorman kytkemiseksi - Google Patents

Description

' 116493

OHJAUSPIIRI JA MENETELMÄ KUORMAN KYTKEMISEKSI

Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty ohjauspiiri ja patentti-5 vaatimuksessa 5 määritelty menetelmä kuorman kytkemiseksi .

Monet kodeissa ja työpaikoilla käytettävät sähkölaitteet toimiessaan ja/tai päälle- ja poiskytkettäessä aiheut-10 tavat niitä syöttävään sähköverkkoon jännite- ja virta-piikkejä ja muita häiriöitä. Usein näiden häiriöiden vaikutus on tuntuvin verkossa lähellä olevissa sähkölaitteissa ja erityisesti samaan linjaan liitetyissä sähkölaitteissa ja itse häiriön aiheuttavassa laitteessa.

15 Hyvä jokamiehen tuntema esimerkki laitteen päälle kytkeytymiseen liittyvästä itse laitteelle sattuvasta laite-vahingosta on tavallisen hehkulampun hehkulangan tuhoutuminen valoja päälle laitettaessa. Yleensähän hehkulamppu vioittuu juuri valoja sytytettäessä, eikä suinkaan 20 kesken kaiken valon ollessa päällä. Jos lamppu vioittuu valon ollessa päällä on syynä yleensä sähköverkossa edennyt häiriö. Tällainen häiriö on esimerkiksi sulakkeen f: palamisesta seuraava virtapiikki. Esimerkiksi tavanomais- **· ten kotien sulaketaulujen toiminnot ovat mekaanisia.

25 Sulakkeet päästävät läpi virtaa läpi sellaisenaan, kun-; nes virta ylittää sulakkeen mitoituksen. Sulakkeessa liian suuri virta aiheuttaa sulakkeen vastuslangan ylikuumenemisen ja sitä kautta langan sulamisen, mistä seu-: raa virrankulun katkeamisen. Useimmat sähköverkkoon lii- 30 tetyt tavanomaisella verkkojännitteellä toimivat sähköä kuluttavat laitteet kytketään tyypillisesti päälle siten, että mekaaninen katkaisija ohjaa suoraan päälle verk-kojännitteen toimilaitteeseen. Tällöin kytkeytyminen voi sattua missä kohden vaihetta tahansa, ja jännite nousee t \ l 35 hyppäyksen omaisesti verrattuna tavanomaiseen vaihto-sähkön jännitteenvaihteluun.

2 116493

Mekaanisen kytkimen painallus aiheuttaa kytkinväräh-telyjä, joista aiheutuu kipinöintiä ja valokaariilmiöitä, jotka näkyvät muussa järjestelmässä häiriönä. Syntyvät piikit aiheuttavat pidemmän päälle esimerkiksi joidenkin 5 kodinkonelaitteiden käyttöiän lyhenemistä. Lisäksi kipinöinti lisää tulipaloriskiä.

Suuren läpikulkevan virran ja kipinöinnin takia kytkin on suunniteltava massiiviseksi ja kipinöintiä kestävistä materiaaleista, mistä johtuen kytkimet ja niiden kotelointi 10 tai muu tarkoituksenmukainen sijainnillinen tai rakenteellinen suojaus aiheuttaa kohtalaiset kustannukset.

Kun toimilaite kytketään pois mekaanisella kytkimellä, aiheutuu taas kytkinvärähtelyjä. Kytkeytyminen voi 15 niinikään tapahtua missä kohden vaihetta tahansa. Jos kuorma on luonteeltaan induktiivinen, aiheutuu katkonaisesta värähtelevästä poiskytkeytymisestä induktanssin purkautuessa jopa useiden satojen volttien jännite-piikkejä. Nämä piikit näkyvät niinikään EMC-häiriöinä, 20 sekä lyhentävät samassa syötössä olevien laitteiden elinikää * ·

Hehkulampuissa ja eräissä muissa laitteissa kuorma on t kylmänä päällekytkettäessä melkein oikosulku, mikä 25 aiheuttaa terävän suuren virtapiikin, joka näkyy usein muissa toimilaitteissa jännitenotkahduksena.

* , « » *

Edellä esitettyjen ongelmien voittamiseksi ja aiempaa ‘ .’. paremman sähkölaitteiden päälle- ja poiskytkennän 30 aikaansaamiseksi esitetään keksintönä ohjauspiiri ja menetelmä. Keksinnölle tunnusomaisten piirteiden osalta viitataan patenttivaatimuksiin.

,[·’ Keksinnön perusajatus on ohjata virran muutosta lait- 35 teiden päälle- ja poiskytkemistilanteessa siten, ettei kovin jyrkkiä muutoksia tapahdu. Jyrkkiä muutoksia väl- 3 116493 tetään sovittamalla kytkeytymishetki vaihtojännitteen nollakohtaan tai sen lähelle ja rajoittamalla virran muutosnopeutta.

5 Keksinnön toteuttavassa ohjauspiirissä on kytkin, joka on kytketty pienvirtaiseen ohjauspiiriin, jolloin kytkin voi olla pieni ja edullinen, koska työvirta ei kulje kytkimen kautta. Ohjauspiiri sisältää myös kytkeytymispiirin, joka varmistaa sen, että pääteasteen kytkeytyminen suoritetaan 10 vaiheen alussa jännitteen ollessa nolla, jolloin saadaan pääteaste kytkettyä pehmeästi päälle samoin kuin toimilaite kytkeytyy pehmeästi. Sen lisäksi esimerkiksi lamp-pukuorma kytketään vähitellen siten, että lampulle päästetään virtaa vähitellen, jolloin lamppu lämpiää ja sen 15 resistanssi kasvaa. Poiskytkeytyminen hoidetaan niin ikään pehmeästi siten, että kuormalle menevää jännitettä aletaan purkaa vähitellen pois purkaen induktanssin energia hallitusti estäen syntyvän piikin. Niin ikään lopullinen pääteasteen poiskytkeytyminen suoritetaan vai-20 heen nollakohdassa. Näin kuorma kytkeytyy päälle pii-kittömästi vaiheen nollakohdassa ja kuormaan ohjataan ; jännite vähitellen, jolloin virta toimilaitteessa kasvaa ; tasaisen hallitusti, toisin sanoen virta ei pääse kasva- • + · « ·;·’· maan ryöpsähtämällä.

25 • ·

Keksintö soveltuu käytettäväksi useimpien vaihtovirralla toimivien laitteiden yhteydessä. Sopivia sijoituspaikkoja talojen sähköverkossa tai sähkölaitteissa ovat mm. varo-j ketaulut, verkkojohto, esimerkiksi integroituna liitos- 30 rasiaan, kytkimet ja pistotulpat. Edullisesti ohjaus- • * » piirissä on säädettävä virtaraja, jolloin ainakin toimi- » t laitekohtaisissa ohjauspiireissä virtaraja voidaan aset-;· taa toimilaitekohtaisesti. Edullinen sovellus ohjaus- piirille on sellainen, jossa virtarajan ylittyessä oh- 35 jauspiiri kytkee kuorman irti. Näin ohjauspiiri toimii kuten varoke.

I ! » 4 116493

Kun vaihtovirtalaitteitten poiskytkeytyminen hoidetaan vaiheen nollakohdassa riippumatta siitä, missä kohtaa vaihetta katkaisin käännetään pois, niin tällöin vältytään jännitepiikiltä, joka voi vioittaa muita 5 laitteita.

Keksinnön avulla saavutetaan yksinkertaisella tavalla nopea ylikuormitusten havainnointi ja toimilaitteen pois kytkeytyminen, jolloin ei synny kipinöintiä eikä tulipalo lovaaraa. Ohjauspiirissä ei ole kytkinvärähtelyjä pois ja päälle kytkettäessä, jolloin ei myöskään näiden aiheuttamia EMC-häiriöitä synny.

Keksintö vähentää kytkettävän laitteen "kulumista" ja 15 säästää myös muita sähköverkossa lähellä olevia toimilaitteita.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin sinänsä keksinnön sovellusalaa rajoittamattomien sovellutusesi-20 merkkien avulla ja viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa : kuvio 1 esittää keksinnön toteuttavan ohjauspiirin.

: 25 Kuviossa 1 on esitetty keksintöä soveltava ohjauspiiri.

< »

Ohjauspiirin kytkennässä on ohjauspiiriin kytkettyä kuormaa syöttämässä pääteastepari, joko FET tai tran-sistori, Tl ja T2, jotka kytkevät ja säätävät virran-• syöttöä ohjauspiirin ohjauksen mukaisesti. Ohjauspiirissä i · · · 30 on kytkin, joka on kytketty pienvirtaiseen ohjauspiiriin, jolloin kytkin voi olla pieni ja edullinen. Työvirta ei » i * kulje kytkimen kautta, vaan pääteasteen kautta. Ohjaus- t » piiri sisältää myös kytkeytymispiirin, joka varmistaa sen, että pääteasteen kytkeytyminen suoritetaan vaiheen 35 alussa jännitteen ollessa nolla, jolloin saadaan pääte-aste kytkettyä pehmeästi päälle samoin kuin toimilaite 5 116493 kytkeytyy pehmeästi. Sen lisäksi esim. lamppukuorma kytketään vähitellen siten, että lampulle päästetään virtaa vähitellen, jolloin lamppu lämpiää ja sen resistanssi kasvaa. Poiskytkeytyminen hoidetaan niin 5 ikään pehmeästi siten, että kuormalle menevää jännitettä aletaan purkaa vähitellen pois purkaen kuormaan, esimerkiksi kuorman induktanssiin varastoituneen energian hallitusti estäen syntyvän piikin. Niin ikään lopullinen pääteasteen poiskytkeytyminen suoritetaan vaiheen nolla-10 kohdassa.

Se, että kytkentä tapahtuu jännitteen nollakohdassa tai sen läheisyydessä, suojaa ohjauspiiriä ja kytkettävää kuormaa. Kytkettäessä nollakohdasta lähtien voidaan 15 esimerkiksi kuorman oikosulkutilanteessa pääteastepari kytkeä pois päältä ennen kuin tehohäviö kasvaa liian suureksi ja tuhoaa ylikuormittuvia komponentteja tai j ohtimia. 1

Ohjaus piirin toimintaa voi kuvata seuraavasti.

Ohjausosan toimintaan vaadittava toimintajännite VCC synnytetään varaamalla kondensaattoria Cl vastuksen Rl ja | diodin Dl kautta. Zener diodi D2 rajaa jännitteen sopi- 1: vaan tasoon. Cl pitää jännitteen suhteellisen tasaisena.

: i 25 Dl estää kondensaattorin purkautumisen kun vaihto- : ; : jännitteen potentiaali muuttuu.

I » |

Ohjauspiirin alkunollaus tapahtuu kytkettäessä jännite.

: Flip-flop-piiri IC-2 saatetaan perustilaan, kun 30 jännitteet kytkeytyvät systeemiin tuomalla sen reset- tuloon positiivinen pulssi. Kun VCC jännite nousee, alkaa • · »

Vref-jännite (missä vref on virtapiirissä) hitaasti *!' nousta, kun kondensaattori C5 latautuu Rll ja R12 kautta vastusten R11,R12 ja R13 muodostamaan jännitejakosuhde-*...· 35 jännitteeseen. Komparaattorin A2 lähtö ohjaa T3 nmosia,

joka ohjaa IC-2:lie menevää resetointia. Kun kytkintä SI

6 116493 painetaan ohjautuu vastuksen R3 kautta jännite flip-flop-piirin IC-1 D-tuloon. Kun verkkojännite nousee seuraavan kerran positiiviseksi, nousee Al:n lähtö VCC-jännitteeseen jolloin IC-2:n kellotulon nouseva reuna siirtää 5 d-tulossa olevan tilan (joko OV tai VCC) Q-lähtöön.

IC-1:n Q-lähtö ohjaa IC-2:n kellotuloa CLK, jolloin IC-2:n resetoitu Q-lähtö on 0 ja XQ-lähtö VCC. Koska XQ-lähtö on kytketty IC-2:n d-tuloon, siirtyy IC-2:n kello-tulon (CLK) nousevalla reunalla D-tulon tila Q-lähtöön.

10 IC-2:n Q-lähdön nousu VCC-jännitteeseen johtaa siihen, että pääteastekomponenttien Tl ja T2 kannat kapasitanssin aikavakion (T=R14*Cpp) mukaisesti alkavat varautua vastuksen R14 kautta, jolloin Tl ja T2 kantajännite alkaa nousta avaten pääteasteparin (Tl ja T2) johtavaksi vas-15 tuksen R14 ja pääteasteparin muodostaman haaran kautta, jolloin pääteaste kytkeytyy vähitellen päälle.

Vastus Rl5 ja kondensaattori C6 muodostavat aikavakion, jonka ajan jälkeen aletaan seurata fettien yli olevaa 20 virtaa.

·' .· Komparaattori A4 mittaa positiivisen puolijakson aikana : : virtaa ja komparaattori A3 negatiivisen puolijakson ajan virtaa.

;·,· 25 • ·

Vastukseen R15 ja kondensaattoriin perustuvan C6 aika-vakion jälkeen komparaattorin A2 lähtö laskee nollaan, jolloin nmos T3 aukeaa. Jos komparaattorien A4 ja A3 | virrat ovat alle asetetun rajan pysyy T3:n D-piste VCC- ;**. 30 jännitteessä, jolloin IC-2:n reset tulo on VCC-jännit- teessä, ja ohjaus pysyy päällä.

T Jos positiivisen puolijakson aikana tapahtuu oikosulku tai virran ylitys, laskee A4-lähtö nollaan, jolloin T3:n 35 ollessa avoin ohjautuu IC-2:n reset-tuloon 0 V, jolloin piiri resetoituu, jolloin taas IC-2:n Q-lähtö laskee nol- 1 116493 laan ja silloin pääteastekomponenttien Tl ja T2 kanta-jännite laskee nollaan diodin D5 kautta.

Pääteasteen uudelleen kytkeytymiseen vaaditaan, että 5 kytkintä SI täytyy käyttää pois päältä ja kytkeä uudelleen päälle ennen kuin ohjaus kytkeytyy uudelleen päälle. Kuorman kytkeminen siis voidaan tehdä vain, kun jännite on nollakohdassa, ja kytkemisen jälkeen kuormaan aletaan tasaisesti kasvattaa virtaa. Tällöin muutokset ovat par-10 haiten hallittuja kuorman eliniän kannalta.

Sovittamalla aina kytkeytyminen nollajännitteestä lähtien alkavaksi, estetään lampputyyppisten kuormien virtapiikki antamalla lampun ensin lämmetä, jolloin sen resistanssi 15 lämmetessään alkaa kasvaa.

Samoin pääteasteen poiskytkeminen normaalitilanteessa tehdään jännitteen nollakohdassa. Kun kytkin SI otetaan pois päältä, kellottuu IC-l:n D-tulon Ό'-tila Q-lähtöön 20 kun Vac-jännite ohittaa nollakohdan ja nousee positiiviseksi. Tällöin Al:n lähtö nousee ylös ja D-tulon 0-tila siirtyy Q-lähtöön ja edelleen IC-2:n Q-lähtö nol-lautuu laskien diodin D6 kautta Vgs-jännitteen nollaan. Komparaattorit A4 ja A2 mittaavat Fettien yli olevaa : 25 virtaa tutkien Tl:n ja T2:n sisäisen resistanssin yli ; ; virran aiheuttavaa jännitettä. Kun A4-lähtö ylittää vref- . _ . jännitteen, ollaan ylivirtatilanteessa, jossa A2:n tai t A4:n (riippuen virran suunnasta) lähtö nousee Ί':ksi : resetoiden IC-2:n ja tällöin IC-2:n Q-lähtö nollautuu ja 30 Vgs jännite purkautuu, ja pääteasteparin Fetit (tai transistorit) Tl ja T2 kytkeytyvät pois päältä.

• ► · 1 t '1 I * FETit saavat yhteisen VGS-jännitteen, jolloin molemmat ovat johtavassa tilassa kun ohjaus on päällä. Vasta kun : : 35 Kytkintä SI käytetään pois päältä ja kytketään uudelleen, saadaan Fetit kytkettyä uudelleen päälle.

8 116493

Vaihtojännitteen nollan ylitys tilanteessa piiri toimii seuraavassa selostettavalla tavalla. Kun vaihtojännite VAC nousee negatiiviselta puolelta ylittäen nollakohdan, 5 nousee komparaattorin AI lähtö ylös kellottaen IC-2:n D-tulossa olevan datan Q-lähtöön.

Tarvittaessa ohjauspiiriin asetettua ylivirtarajaa voidaan muuttaa muuttamalla vastuksen R9 arvoa. Kun 10 vastusta R9 pienennetään, virtaraja nousee. Eräissä sovelluksissa on edullista käyttää vastuksena R9 säätö-vastusta .

Ohjauspiirissä on edullisesti toimintatilan indikointi, 15 jonka avulla osoitetaan ulostulon tila. Havainnollinen indikointi on tarpeen varsinkin, jos ohjauspiirin kytketystä toimilaitteesta tai muusta kuormasta ei asia muutoin ilmene. Ohjauspiirin toiminta voidaan indikoida esimerkiksi seuraavasti. Vihreä ledi LD2 valaistessaan 20 osoittaa, että jännitteet on kytketty kuormaan ja punainen ledi LD1 vastaavasti osoittaa, että jännitteet eivät ole kytketyt. Vastukset R21 ja R23 rajoittavat : ledeille LD2 ja LD1 menevän virran.

: 25 ; ; : Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu ainoastaan edellä » esitettyihin esimerkkeihin, vaan voivat vaihdella jäl-; jempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

30 Ohjauspiirissä voi olla komponentteja, esimerkiksi vastuksia, joita ei edellä olevassa selostuksessa ole mainittu, sovittamassa jännitteitä , virtoja tai eri ohjauspiirin komponenttien keskinäistä toimintaa.

35

Claims (7)

1. 9 116493
2. 1. Kuorman ja vaihtojännitesähköverkon väliin sijoitettu ohjauspiiri jännitteen pois- ja/tai päällekytkemiseksi 5 kuormaan,joka kuorman päällekytkeytyminen on ohjaus-piirissä ohjattu alkamaan ja/tai joka kuorman pois-kytkeminen on ohjauspiirissä ohjattu päättymään jännitteen nollakohdassa tai nollakohdan läheisyydessä, tunnettu siitä, että kuormaan syötettävän vaihtosähkön 10 virran muutosnopeus on rajoitettu ja että ohjauspiirissä on virtaraja, jonka ylittyessä ohjauspiiri kytkee kuorman irti vaihtojännitesähköverkosta.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjauspiiri, tunnettu 15 siitä, että virran muutosnopeus on rajoitettu vastuksen R4 resistanssin ja pääteasteen muodostaman kapasitanssin muodostaman aikavakion mukaisesti.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjauspiiri, tunnettu 20 siitä, että ohjauspiiri syöttää kuormaa pääteasteparin (T1,T2) kautta ja pääteasteparin osat (T1,T2) ovat vas-takkainkytketyt ja toimivat samalla ohjauksella i ί ; » 'i' 4. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen ohjaus- • * 1/ j 25 piiri, tunnettu siitä, että molempien jaksojen virtarajaa v ' voidaan säätää vastuksen R9 arvoa muuttamalla.
5. 5. Menetelmä kuorman kytkemiseksi ohjauspiiriä käyttäen ; vaihtojännitesähköverkkoon ja tai poiskytkemiseksi vaih- ; 30 tojännitesähköverkosta, jossa menetelmässä kuorman verk koon- ja/tai poiskytkeytyminen ohjataan alkamaan/päät-tymään jännitteen nollakohdassa tai nollakohdan lähei- » syydessä, tunnettu siitä, että kuormaan syötettävän vaihtosähkön virran muutosnopeutta rajoitetaan ja että 35 ohjauspiirissä on virtaraja, jonka ylittyessä kuorma kytketään irti vaihtojännitesähkö-verkosta. ,0 1 1 6493
6. 6. Patenttina at. .muksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että k ;c. :maa päällekytkettäessä estetään kuormaan syötettävä:: i i an muutos asettua virranmuutosnopeutta nopeammin. 5
7. 7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että koe omaa poiskytkettäessä estetään kuormaan syötettävän viroan muutos asettua virranmuutosnopeutta nopeammin. 15 1 n 116493