FI61781B - Effektregulator speciellt ljusregulator - Google Patents

Description

61 781

Tehonsäädin, erityisesti valonsäädin. - Effektregulator specielt 1jusregulator.

Huomattava osa sellaisista valaisimista, joissa käytetään pur-kauslamppuja, on kompensoitu valaisinkohtaisilla kondensaattoreilla. Purkauslamput ovat induktiivisen kuorman luonteisia, joten niiden käyttö ilman kompensointia aiheuttaa huomattavan suuria loistehovirtoja. Kyseiset virrat aiheuttavat lisäkustannuksia loistehomaksujen muodossa. Kompensoimattomille valaisimille menevät kaapelit joudutaan mitoittamaan oleellisesti suurempien virtojen mukaisesti kuin kompensoituja valaisimia käytettäessä olisi tarpeen.

Kompensointikondensaattorin kapasitiivisyyden johdosta ei tähän asti ole voitu säätää kompensoituja valaisimia elektronisilla valonsäätimillä. Tavallisilla säätimillä kytkinelementin liipaisu kesken verkkojännitteen puolijakson on johtanut laitteen rikkoutumiseen tai ainakin häiriintyneeseen toimintaan kompensointikondensaattorien ottamien syöksyvirtojen takia.

On jo ehdotettu ratkaisua (DE-hakemusjulkaisu 26 44 553), jossa pyritään johtamaan virtaa puolijakson alusta asetusar-von mukaiseen katkaisuhetkeen asti.

Tämä tekniikan taso lähtökohtana on keksinnön kohteena tehonsäädin, erityisesti valonsäädin, joka soveltuu sekä kompensoitujen että kompensoimattomien, vaihtosähköverkkoon liitettyjen valaisinten valotehon säätöön, ja jossa säätimessä on yksi tai useampi kytkinelementti sijoitettuna verkon ja valaisimen väliseen virtapiiriin, sekä kytkinelementin tai -elementtien ohjauspiiri, joka tehoa säädettäessä katkaisee syöttövirran ainakin kerran jokaisella puolijaksolla kun virtaa on johdettu puolijakson O-hetkestä asetusarvon mukaiseen hetkeen asti.

Tämän periaatteen käytännön toteuttamisen esteenä on kuitenkin ollut lukuisia ongelmia, johtuen mm. kuorman erilaisista kom-pensointiasteista. Kun kuormitus on riittävästi kompensoitu, saattaa kuorman jännite laskea hitaammin kuin verkkojännite.

Tällöin tulisi voida siirtää energiaa kuormasta verkkoon päin, 2 61781 jotta verkon ja kuorman välinen jännite-ero pysyisi pienenä.

Kun kuormituksen kompensointiaste on alhainen, pyrkii kuorman jännite muuttumaan kytkinelementin myötäsuuntaisen katkaisun jälkeen verkkojännitteelle vastakkaissuuntaiseksi induktiivisen kuorman ottaessa virtansa kompensointikondensaattorista. Alhaisella kompensointiasteella tämä vastakkaissuuntainen jännite voi nousta niin suureksi, että kytkinelementit tuhoutuisivat, jollei tapahtumaa estetä.

Näiden ongelmien välttämiseksi on keksinnön mukainen valonsää-din tunnettu siitä, että kytkinelementti on kuorman kanssa sarjaan kytketty kaksisuuntainen kytkinelementti, joka on ohjattu kullakin puolijaksolla katkaisemaan virran ainoastaan verkosta kuormaan päin, mutta sallimaan virran kulun vastakkaisessa suunnassa, ja että toinen samanlainen kytkinelementti on kytketty kuorman kanssa rinnan kuorman ja ensimmäisen kytkin-elementin väliin. Vaikka kuorma on selvästi ylikompensoitu, ei kuorman jännite kuitenkaan voi olennaisesti ylittää verkon jännitettä sen johdosta, että kompensointlkondensaattorin energia purkautuu automaattisesti verkkoon ensimmäisen kaksisuuntaisen kytkinelementin kautta.

Tällä keksinnön mukaisella säätimellä saadaan myös alhaisen kompensointiasteen omaavan kuormituksen kuormajännite pidetyksi lähellä nollaa, mikäli kuorman jännite pyrkii verkkojännitteelle vastakkaissuuntaiseksi, sillä tällöin toinen kytkinelementti alkaa johtaa virtaa lamppuun. Tällöin ensimmäisen, kuorman kanssa sarjaan kytketyn kytkinelementin myötäsuuntaisen ohjauksen kytkeytyessä päälle ei synny virtapiikkiä pienen jännite-eron ansiosta verkon ja kuorman välillä.

Toisen kytkimen käytöllä saavutetaan eri lampputyyppien säädön yhteydessä seuraavia etuja. Halkaisijaltaan 38 mm:n loistelamput säätyvät hehkumuuntajia käytettäessä kompensointiasteestä riippumatta kuten tavallisella säätimellä ilman kompensointia. Sytytinkytkentäiset 38 mm:n loistelamput säätyvät kompensointi-asteesta riippumatta oleellisesti paremmin kuin tavallisella säätimellä ilman kompensointia.

3 617 81

Halkaisijaltaan 26 mm:n loistelamput eivät ole tavallisella sää-timellä lainkaan luotettavasti säädettävissä. Keksinnön mukaisella säätimellä niitä voidaan sytytinkytkentäisinä säätää kom-pensointiasteesta riippumatta.

Elohopeahöyrylamput ovat uudella säätimellä säädettävissä kom-pensointiasteesta riippumatta paremmin kuin tavallisella säätimellä ilman kompensointia.

Natriumlamput säätyvät elohopeahöyrylamppujen tavoin paremmin kuin tavallisella säätimellä. Molempia lampputyyppejä voidaan säätää alhaisemmalle tasolle kuin tavallisella säätimellä. Säätö alaspäin voidaan suorittaa myös oleellisesti nopeammin kuin tavallisella säätimellä.

Säätöominaisuuksien paraneminen johtuu suureksi osaksi siitä, että kun tehonsyöttö verkosta lamppuun katkeaa, ei virta lamppuun katkea vaan voidaan käyttää hyväksi kompensointikonden-saattorin ja kuristimen energiaa, jolloin lampun virraton aika jää tavanomaista lyhyemmäksi, mikä olennaisesti parantaa lampun säätöominaisuuksia mm. alentamalla jälleensyttymisjännitettä .

Lisäksi on ratkaistava ongelma kuorman kanssa sarjaan kytketyn kytkinelementin virrankatkaisuhetken ohjauksen ajoituksesta. Ammattimiehelle tavanomaisena ratkaisuna voidaan pitää ajan mittaukseen perustuvaa säätöä ajoituksen ohjaamiseksi.

Keksinnön tarkoituksena on myöskin löytää yksinkertaisempi ja käytännöllisempi ratkaisu kytkinelementin ohjauksen ajoitukseen. Keksinnön mukaisesti on kytkinelementin kytkimien virrankatkaisuhetken määräämiseksi ohjauslogiikkapiirissä in-tegraattori, verkkojännitteen 0-hetken havaitsin ja vertai-lujännitteen asetuslaite, jolloin verkkojännitteen O-hetkestä lähtien integroidun jännitteen saavuttaessa asetetun vertailu-jännitteen, saadaan integraattorilta ohjaustieto vertailulo-giikalle kytkinelementin virran katkaisemiseksi mainitussa suunnassa (verkosta kuormaan päin). Tämän integraattoriperi-aatteen ansiosta tapahtuu katkaisu suuremmalla verkkojännit- 4 61781 teellä aiemmin kuin pienellä, joten verkkojännitteen vaihtelut vaikuttavat lamppujen intensiteettiin oleellisesti vähemmän kuin normaalilla ajan mittaukseen perustuvalla säädöllä. Lisäksi integrointiperiaate pyrkii symmetroimaan kuorman virtaa .

Seuraavassa keksinnön eräitä suoritusesimerkkejä selostetaan lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen säätimen periaatekaaviota.

Kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisessa säätimessä käytettyjen kytkinelementtien SI ja S2 erästä edullista suoritus-esimerkkiä.

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen säätimen tulo- ja lähtöjän-nitteen käyrämuotoa.

Kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen säätimen kytkinelementtien ohjauksen lohkokaaviota.

Kuvio 5 esittää ensimmäistä vaihtoehtoa keksinnön mukaisen säätimen kytkinelementtien ohjauksen ajoituksesta.

Kuvio 6 esittää toista vaihtoehtoa kytkinelementtien ohjauksen ajoituksesta ja kuvio 7 esittää kolmatta vaihtoehtoa kytkinelementtien ohjauksen ajoituksesta.

Kuviot 8-12 esittävät vaihtoehtoisia suoritusmuotoja kuviossa 2 esitetylle kytkinelementille.

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen valonsäätimen soveltamista loistelampun L valointensiteetin säätöön. Loistelamppu L on liitetty häiriösuotimen 1 kautta vaihtovirtaverkkoon. Viitenumerolla 3 on merkitty induktanssia, jonka muodostaa esim. lampun L virtaa rajoittava kuristin. Loistehon rajoittamiseksi on piiriin kytketty valaisinkohtainen kompensointikondensaat- 61781 5 tori 2.

Keksinnön mukaiseen säätimeen kuuluu ensimmäinen kytkin SI, joka on kytketty valaisimen L kanssa sarjaan. Toinen kytkin S2 on kytketty kuorman L kanssa rinnan kuorman ja ensimmäisen kytkinelementin SI väliin. Kuvion 4 yhteydessä tarkemmin selostettava ohjauslogiikka 4 ohjaa kytkinelementtien SI ja S2 kytkimiä, jotka kuvion 2 esimerkissä muodostuvat kahdesta transistorista a ja b, joiden kollektorit on kytketty yhteen.

Tällöin transistorit voidaan kytkeä samalle jäähdytyslevylle ilman eristystä. Tällainen kytkinelementti voidaan toteuttaa siten, että transistorit a ja b on integroitu yhdeksi puolijohdekomponentiksi. Kummankin transistorin rinnalle on kytketty keskenään vastakkaissuuntaiset diodit d, joiden päästösuun-ta on rinnalla olevan transistorin emitteriltä kollektorille. Integroidun komponentin tapauksessa diodit voivat olla vastaaviin transistoreihin integroituna kuviossa 8 esitetyn vaihtoehdon mukaisesti.

Ohjauslogiikkapiiri 4 saa nuolen 6 havainnollistamalla tavalla syötön ja synkronoinnin verkkosähköstä. Nuoli 5 havainnollistaa virranrajoitusohjausta, jolla kytkinelementeiltä SI, S2 katkaistaan ohjaus seuraavaan verkkojännitteen 0-hetkeen asti, mikäli kytkinelementin kuormitusvirta ylittää sallitun arvon.

Kuvion 3 käyrämuoto havainnollistaa säätimen yleistä toimintaperiaatetta. Säätimen tulojännitteen käyrämuoto on sinimuotoinen. Lähtöjännite kasvaa vastaavalla käyrämuodolla jännitteen O-hetkestä lähtien kunnes haluttu virrankatkai-suhetki saavutetaan. Tällöin kytkinelementin SI kiinni ollut kytkin a avataan, kytkimen b pysyessä edelleen kiinni. Tällöin myötäsuuntainen virrankulku, eli virta verkosta kuormaan katkeaa ja säätimen lähtöjännite alkaa laskea kuorman kompensointiasteesta riippuen erilaisten vaihtoehtojen mukaisesti, joista kuviossa 3 on esitetty seuraavat: I alikompen-soitu valaisin, II kompensoitu valaisin ja III ylikompensoi-tu valaisin. Kuitenkin kytkimen b ja kytkimen a rinnalle kytketyn diodin d kautta säilyy tehon automaattinen takaisinsyöt- 61781 6 tömahdollisuus kuormasta verkkoon, mikäli kuorman jännite pyrkii kasvamaan verkon jännitettä suuremmaksi.

Olennaisen osan keksintöä muodostaa myös kytkimien SI ja S2 ohjauslogiikkapiiri 4, jota seuraavassa selostetaan viitaten kuvioon 4.

Säädin muodostaa ohjauselektroniikan tarvitseman käyttöjännitteen verkkosähkösyötöstä 6 oman sähkölähteen 7 avulla.

Verkkojännitteen seuraamista varten laite on varustettu synk-ronointipiirillä 8. 0-hetken havaitsimen 9 avulla muodostetaan tieto verkkojännitteen 0-kohdasta. Lisäksi piiri on varustettu elimellä 10 verkkojännitteen polariteetin seuraamiseksi.

Kytkinelementin SI ohjauksen virrankatkaisuhetkien määrittelemistä varten muodostetaan verkkojännitettä seuraava integraalifunktio integraattorissa 11. Integrointi aloitetaan verkko-jännitteen 0-hetkellä. Integroidun jännitteen saavuttaessa esim. potentiometrillä 12 asetetun vertailujännitteen, saadaan vertailijalta 13 looginen tieto kytkinelementin SI kytkimen a avaamiseksi virran kulun estämiseksi verkosta kuormaan. Integraattoriperiaatteen ansiosta tapahtuu katkaisu suuremmalla verkkojännitteellä aiemmin kuin pienellä, joten verkkojännitteen vaihtelut vaikuttavat lamppujen intensiteettiin oleellisesti vähemmän kuin normaalilla ajan mittaukseen perustuvalla säädöllä.

Verkkojännitteen nollatiedosta, polariteetista ja vertailijän 13 antamasta katkaisutiedosta muodostetaan loogisten piirien 14 avulla loogiset ohjaussignaalit kytkinelementin SI kytkimiä varten. Verkkojännitteen nollatiedosta ja polariteetista muodostetaan loogisten piirien 15 avulla loogiset ohjaussignaalit kytkimen S2 kytkinelementtien ohjaamiseksi. Ohjaussignaalit voidaan ajoittaa kolmella vaihtoehtoisella tavalla, joita selostetaan myöhemmin viittaamalla kuvioihin 5-7.

Ohjaussignaalit erotetaan galvaanisesti verkkojännitteestä 7 61781 yksikössä 16. Galvaanisen erotuksen jälkeen looginen tieto muutetaan kytkinelementtien SI ja S2 kytkimien a ja b ohjaus-virraksi ohjauspiireissä 18 ja 20. Osa piirien 18 ja 20 tarvitsemasta ohjausvirrasta otetaan jännitelähteestä 7. Pääosa ohjausvirrasta muodostetaan kuitenkin päävirtapiiristä takaisinkytketyn virtamuuntajayksikön 22 avulla (vrt. kuva 1 nuoli 5). Näin voidaan kytkinelementin SI ohjausvirtaa kasvattaa kuormitusvirran mukaan. Tällöin voidaan alhaisella kuormitusvirralla välttää ylimääräinen tehonkulutus ohjauspiirissä. Lisäksi suurilla virroilla ajettaessa paranee kytkin-transistorien virtakestoisuus, kun voidaan kasvattaa transistorin kantavirtaa kuormitusvirran mukaan.

Vastaavanlainen ohjausjärjestely voidaan toteuttaa kytkinelementin S2 kytkimille a ja b, jota ohjausjärjestelyä on merkitty yleisesti viittausnumerolla 21.

Kuviossa 5 on esitetty ensimmäinen vaihtoehto kytkinelementtien SI ja S2 kytkimien a ja b ohjaamiseksi. Vinoviivoitettu alue kuvaa säädöstä riippuvaa ohjausta. Ylempi viiva kuvaa kytkimen kiinniasentoa ja alempi viiva aukiasentoa. Verkko-jännitteen 0-hetkestä eteenpäin kytkin Slb on kiinni ja kytkin Sla suljetaan pienen vaihekulman päässä 0-hetkestä. Määrätyllä virrankatkaisuhetkellä kytkin Sla avataan kytkimen Slb pysyessä edelleen kiinni, mikä tilanne jatkuu verkkojännitteen seuraavaan 0-hetkeen asti. Nyt tilanne toistuu muutoin samanlaisena, mutta kytkimet a ja b ovat vaihtaneet toiminnallisesti paikkaansa. Lisäksi havaitaan, että kytkimien a ja b säädöstä riippuva ohjaus lopetetaan ja aloitetaan pienen vaihekulman päässä verkkojännitteen 0-kohdasta. Kytkimen S2 kytkimien a ja b ohjaus tapahtuu pelkästään verkkojännitteestä riippuvaisena siten, että virta ei pääse kulkemaan verkkojännitteen vaikutussuunnassa, mutta kylläkin päinvastaisessa suunnassa, mikäli kytkinelementin SI myötäsuuntai-sen katkaisun jälkeen kuorman jännite muuttuu verkkojännitteelle vastakkaissuuntaiseksi. Kytkinelementti S2 pitää siis kuorman jännitteen virran katkaisun jälkeen lähellä nollaa johtamalla virtaa lamppuun L jos kuorman jännite on verkkojännitteelle vastakkaissuuntainen. Täten voidaan siis estää kompo- 8 61 781 nenteille vahingollisten jännitepiikkien syntyminen ja käyttää kaikki teho hyväksi joko lamppuun L tai takaisin syöt-töverkkoon.

Edelleen kuviosta 5 havaitaan, että kytkinelementin S2 molemmat kytkimet a ja b ovat hetken aikaa avattuna verkkojännitteen 0-kohdan molemmin puolin vastaten sitä vaihekulmaa, jona kytkinelementin SI kytkimillä a ja b ei ole säädöstä riippuvaista ohjausta.

Kuitenkin kytkinelementin S2 kytkimien a ja b tilan muutos voidaan ajoittaa myös tarkalleen verkkojännitteen 0-kohtaan kuten kuviossa 6 on esitetty. Muutoin ohjaus vastaa kuviota 5.

Kuvion 7 mukainen ohjaus poikkeaa kuvion 5 ohjauksesta sikäli, että verkkojännitteen O-hetkestä lähtien tai jo hieman sitä ennen kytkinelementin SI molemmat kytkimet a ja b ovat kiinni, kunnes säädöstä riippuvan ohjauksen aikana kulloinkin myö-täsuuntainen kytkin a tai b avataan.

Kytkinelementtien vaurioitumisen estämiseksi oikosulkutilan-teissa muodostetaan niiden kuormitusvirrasta virtamuuntajalla signaali, jonka ylittäessä sallitun arvon katkaistaan ohjaus kyseiseltä kytkinelementiltä vähintään seuraavaan verkkojännitteen 0-kohtaan asti (vrt. virranrajoitusohjaus 5 kuviossa 1).

Kytkinelementtien SI ja S2 peruskäyttötapa on se, että kytkin-elementin SI kautta johdetaan energiaa kuormaan verkkojännitteen O-hetkestä alkaen siihen asti, kunnes ohjauspiirin integ-raattori 11 saavuttaa asetusarvon.

Kun kuormitus on riittävästi kompensoitu, saattaa kuorman jännite laskea hitaammin kuin verkkojännite (vrt. kuviossa 3 yli-kompensoitu käyrä III) . Tällöin alkaa kytkinelementti SI johtaa siten, että energiaa pyrkii siirtymään kuormasta verkkoon päin. Tällöin verkon ja kuorman välinen jännite-ero pysyy pienenä.

Kun kuormituksen kompensointiaste on alhainen (vrt. kuvion 3 9 617 81 käyrä I), pyrkii kuorman jännite muuttumaan kytkinelementin SI myötäsuuntaisen katkaisun jälkeen verkkojännitteelle vastakkaissuuntaiseksi induktiivisen kuorman 3 ottaessa virtansa kompensointikondensaattorista 2. Alhaisella kompensointias-teella jännite voi nousta niin suureksi, että kytkinelementit tuhoutuisivat, ellei tapahtumaa estetä. Keksinnön mukaisesti tämä on estetty kytkinelementillä S2, joka alkaa johtaa virtaa lamppuun, jos kuorman jännite on verkkojännitteelle vastakkaissuuntainen. Tällöin kytkinelementin SI myötäsuuntaisel-la kytkentähetkellä pienen jännite-eron ansiosta ei pääse syntymään suurta virtapiikkiä.

Vaikka keksintöä on selostettu edellä eri asteisesti kompensoitujen purkauslamppujen intensiteetin säätimenä, se soveltuu erinomaisesti myös hehkulamppujen säätöön sekä erilaisten kapasitiivisten, induktiivisten ja resistiivisten kuormien tehon säätöön.

f

Claims (8)

10 61 781

1. Tehonsäädin, erityisesti valonsäädin, joka soveltuu sekä kompensoitujen että kompensoimattomien, vaihtosähköverkkoon liitettyjen valaisinten valotehon säätöön, ja jossa säätimessä on yksi tai useampi kytkinelementti sijoitettuna verkon ja valaisimen väliseen virtapiiriin, sekä kytkinelementin tai -elementtien ohjauspiiri, joka tehoa säädettäessä katkaisee syöttövirran ainakin kerran jokaisella puolijaksolla kun virtaa on johdettu puolijakson O-hetkestä asetusarvon mukaiseen hetkeen asti, tunnettu siitä, että kytkinelementti (SI) on kuorman (L) kanssa sarjaan kytketty kaksisuuntainen kytkinelementti, joka on ohjattu kullakin puolijaksolla katkaisemaan virran ainoastaan verkosta kuormaan päin, mutta sallimaan virran kulun vastakkaisessa suunnassa, ja että toinen kaksisuuntainen kytkinelementti (S2) on kytketty kuorman (L) kanssa rinnan ja on ohjattu kullakin puolijak-solla estämään verkkojännitteen suuntaisen virran kulun, mutta sallimaan vastakkaissuuntaisen virran kulun mainitun toisen kytkinelementin (S2) kautta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tehonsäädin, tunnet-t u siitä, että kytkinelementin (SI) virrankatkaisuhetken määräämiseksi ohjauslogiikkapiirissä (Fig. 4) on integraattori (11), verkkojännitteen 0-hetken havaitsin (9) ja vertailujän-nitteen asetuslaite (12), jolloin verkkojännitteen O-hetkestä lähtien integroidun jännitteen saavuttaessa asetetun vertailu-jännitteen, saadaan integraattorilta (11) ohjaustieto vertailu-logiikalle (13, 14) kytkinelementin (SI) virran katkaisemiseksi mainitussa suunnassa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen valonsäädin, tunnettu siitä, että kuorman (L) kanssa sarjaan kytketyn kytkinelementin (SI) kullakin puolijaksolla ohjattuna olevan kytkimen (a tai b) säädöstä riippuva ohjaus aloitetaan pienen vaihekulman päässä verkkojännitteen 0-kohdasta, kulloinkin toisen kytkimen (b tai a) ollessa johtavana vähintään koko puolijakson ajan (Fig. 5 - 7). 11 61781

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen valonsäädin, tunnettu siitä, että toinen kytkinelementti (S2) on kytketty kuorman (L) ja ensimmäisen kytkinelementin (SI) väliin.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen valonsäädin, tunnettu siitä, että kytkinelementti (Sl) ja/tai (S2) muodostuu kahdesta transistorista (a ja b), joiden kollek-torit tai emitterit on kytketty yhteen samalle jäähdytyslevylle ilman eristystä ja että kummankin transistorin rinnalle (Fig. 2, Fig. 9) tai transistoriin integroituna (Fig. 8) on kytketty keskenään vastakkaissuuntaiset diodit, joiden päästösuunta on rinnalla olevan transistorin emitteriltä kollektorille.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen valonsäädin, tunnet-t u siitä, että transistorit on integroitu yhdeksi puolijohdekomponentiksi, missä kollektorit tai emitterit ovat yhdessä (esim. Fig. 8) .

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen valonsäädin, tunnettu ohjauslogiikkapiiriin (4) kytketystä virranrajoituspiiristä (5), joka kytkinelementin (SI, S2) kuormitusvirran ylittäessä sallitun arvon katkaisee ohjauksen kytkinelementeiltä vähintään seuraavaan verkkojännitteen 0-hetkeen asti.

8. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen valonsäädin, tunnettu siitä, että kytkinelementit (SI ja S2) on siten ohjattu, että niiden ohjausvirtaa, esim. transistoreiden kan-tavirtaa kasvatetaan kuormitusvirran kasvaessa. 12 61781 gatentkrav