FI88966C - Indirekt stroemmaetningskrets - Google Patents

Description

88966

Epäsuora virranmittauspiiri Indirekt strömmätningskrets 5

Keksinnön kohteena on laskevan hakkurin, jonka päävirtapiiri muodostuu kytkimestä, diodista ja induktanssista, epäsuora virranmittauspiiri.

10 Keksinnön mukaista virranmittauspiiriä voidaan soveltaa esim.

säätömenetelmään DC/DC-muuntimen ulostulovirran säätämiseksi, missä muunninta syöttää esim. aurinkopaneeli ja kuormana on akku. Tällöin akkuun saadaan syötetyksi aurinkopaneelin maksimitehoa vastaava virta.

15 Tekniikan tasosta tunnetaan ratkaisu, jossa aurinkopaneelista mitataan virta ja jännite ja maksimiteho lasketaan mikrotietokoneella tai analo-giakertojalla.

Tekniikan tasosta tunnetaan myös säätömenetelmä, jossa mitataan erilli-20 sesti muuntimen ulostulovirta ja sen perusteella muodostetaan säätöjärjestelmälle ohjaussignaali.

Epäkohtana tekniikan tasosta tunnetuissa ratkaisuissa on se, että lai-teratkaisut muodostuvat suhteellisen kompleksisiksi ja siten hinnaltaan : 25 kalliiksi.

’· Keksinnön päämääränä on aikaansaada parannus nykyisin tunnettuihin virranmittauspiireihin.

. . 30 Eräänä keksinnön yksityiskohtaisena päämääränä on aikaansaada virran mittauspiiri, joka laiteratkaisultaan on mahdollisimman yksinkertainen ja siten hankintahinnaltaan erittäin halpa.

Keksinnön päämäärät saavutetaan epäsuoralla virranmittauspiirillä, 35 jolle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että kytkimen mitattu virran hetkellisarvo on verrannollinen kytkimen läpi kulkevaan virtaan ja kytkimen johtaessa myös kuormavirtaan, että analogiakytkimen ja integroivan RC-piirin muodostaman kytkennän ulostulosta saadaan yhtälön 2 88966 integraaliosaan verrannollinen signaali X = -f / (3) T c· ΐ 5 missä ts - kytkimen Si johtoaika td - diodin D johtoaika T - aika iL(t) “ virta ajan funktiona 10 että analogiakytkin ja toinen RC-piiri toteuttavat yhtälössä olevan kertolaskun

ts + td T

15 että komparaattori on sovitettu toimimaan diodin virran indikaattorina perustuen diodin yli olevan jännitteen napaisuuden tutkimiseen, jolloin komparaattorista saatava signaali on ug - "1" diodin johtaessa, jolloin kytkimen ohjaussignaali ilmaisee suoraan kytkimen läpi kulkevan virran 20 ja että tai-elimen ulostulojännite u10 - "1" on ajan 0<t<ts+td ja nolla ainoastaan virran aukottuessa aikavälillä ts+td<t<T, jatkuvalla virralla ts+td - T, jolloin kuormavirta on nollasta poikkeava, jos joko diodin tai kytkimen virta on nollasta poikkeava.

25 Keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisien piirustuksien kuvioissa 1-3 esitettyyn keksinnön erääseen edulliseen suoritusmuotoon, johon keksintöä ei kuitenkaan ole tarkoitettu yksinomaan rajoittaa.

30 Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen epäsuoran virranmittauspiirin erästä 3 88966 edullista suoritusmuotoa periaatekytkentänä.

Kuvio 2 esittää kuviossa 1 esitettyjä virta- ja jännitesignaaleja au-kottuneella virralla.

5

Kuvio 3 esittää kuviossa 1 esitettyjä virta- ja jännitesignaaleja jatkuvalla virralla.

Kuviossa 1 esitetty virranmittauspiiri muodostuu päävirtapiirin kyt-10 kimestä S:, diodista D ja induktanssista L kuten laskevassa (step-down) hakkurissa kuitenkin siten, että komponenttien ja jännitteiden napaisuudet ovat vastakkaiset verrattuna tavanomaiseen kytkentään.

Kuvion 1 mukaisella virranmittauspiirillä saavutetaan mm. seuraavat 15 edut. Ensinnäkin virran mittaus ja kytkimen ohjaus on samassa potentiaalissa, jolloin ohjauspiiri yksinkertaistuu, joka puolestaan alentaa mittauspiirin hintaa olennaisesti. Toiseksi virran mittauksessa voidaan käyttää kytkimen Si sisäistä resistanssia, jonka johdosta erillistä mittausvastusta ei tarvita. Tämän ansiosta häviöt pienenevät ja hyö-20 tysuhde kasvaa. Kolmanneksi kytkin Si voidaan toteuttaa N-tyypin fetillä tai NPN-transistorilla, jotka ovat halvempia kuin P-Fet tai PNP-transistori samoilla virta- ja jännitekestoisuusarvoilla.

Kuviossa 1 esitetyn virranmittauspiirin perusidea on seuraava.

: 25

Ulostulovirran keskiarvo iL voidaan laskea mittaamalla kytkimen Sx läpi kulkeva virta, jos tunnetaan kytkimen Sx johtoaika, te nolladiodin D johtoaika tD ja koko jakson aika T.

30 Menetelmä perustuu siihen, että induktanssin L virta kasvaa lineaarisesti kytkimen Sx johtaessa ja pienenee lineaarisesti diodin D johtaessa, jolloin keskimääräinen kuormavirta saadaan yhtälöstä (ajan nolla-kohta on kytkentähetki) 35 4 88966 τ t, t,*td *1 = \ f iL (t) dt = 1 J iL (t) dt + J, f iL(t) dt (l) oo e.

Koska virran käyrämuoto kasvaa tai pienenee lineaarisesti virran maksimiarvon itm„ ja minimiarvon välillä, saadaan yhtälöstä (1) *-L ~ rp (i-Lmln+ ^Lmax^ + ~ψ ^Lmax* ^Lmin^ 5 • e‘*Ttd »E * U/i «> Tämä voidaan kirjoittaa myös muotoon H . ±1β£ ·±'ί lLit)dt (3) * 0 10 jossa voidaan merkitä icx = -¾½ U) 1 Γ c.

xx = / i4(t)dt (5) C* o

Kuviossa 1 esitetyn virranmittauspiirin tekninen toteutus on seuraava.

15 5 88966

Signaali Uj on verrannollinen kytkimen Sj^ läpi kulkevaan virtaan is ja kytkimen Sj johtaessa myös kuormavirtaan iL.

Analogiakytkimen S2 ja integroivan RC-piirin R1C1 muodostaman kytkennän 5 ulostulosta u3 saadaan yhtälön (3) integraaliosaan xx verrannollinen signaali c* u3 a f Uldt C8 0 10 Operaatiovahvistin opi toimii jänniteseuraajana (u4 · u3) ja estää RC-piirin kuormittumisen.

Analogiakytkin S3 ja RC-piiri R2C2 toteuttavat yhtälössä (3) olevan kertolaskun (ts+td)/T:llä.

15 U6 “ \ f U*dt ” - j. ^

Operaatiovahvistin op2 toimii jänniteseuraajana. Komparaattori compl toimii nolladiodin D virran indikaattorina perustuen diodin D yli ole-20 van jännitteen napaisuuden tutkimiseen (diodin D läpi ei kulje virtaa : : jos jännite ud>0). Komparaattorista compl saatava signaali ug - "1", kun : ; : diodi D johtaa, ts. ts<t<ts+td. Tehokytkimen Sj ohjaussignaali u8 ilmai see suoraan kytkimen läpi kulkevan virran (jos ja kun uout<uin).

25 Kuormavirta iL on nollasta poikkeava, jos joko diodin D tai kytkimen Sj virta on nollasta poikkeava. Tämä on toteutettu tai-elimellä ori, jonka ulostulojännite u10 - "1", ajan 0<t<t1+td ja nolla ainoastaan virran aukottuessa aikavälillä t,+td<t<T (jatkuvalla virralla ta+td - T).

30 Kuviossa 2 on esitetty virrat ja jännitteet aukottuneella virralla ja 6 88966 vastaavasti kuviossa 3 virrat ja jännitteet jatkuvalla virralla. Kuvioissa 2 ja 3 on tehty seuraavat oletukset sekä signaaleja on merkitty seuraavasti.

5 Oletukset: - uin ja uout oletetaan tasaisiksi (uln > uout) - häviöitä ei oteta huomioon lukuunottamatta diodin kuynnysjännitettä ud - RC-piirin aikavakiot ovat suuret.

10

Signaalit: - ux: kytkimen Sr mitattu virran hetkellisarvo - u2: RC-piirin R^ sisäänmenojännite 15 - u3: RC-piirin ulostulojännite - u*: RC-piirin RjCi ulostulojännite bufferoituna (-u3) - us: RC-piirin R2C2 sisäänmenojännite - u6: RC-piirin R2C2 ulostulojännite - u7: RC-piirin R2C2 ulostulojännite bufferoituna (-u7) 20 - u8: tehokytkimen ohjausjännite ja samalla signaali (is>0) - u9: nolladiodin D virran tunnistus (id>0) - u10: induktanssin L virran tunnistus (iL>0)

Edellä on esitetty ainoastaan eräs keksinnön edullinen suoritusmuoto 25 ja alan ammattimiehelle on selvää, että siihen voidaan tehdä lukuisia modifikaatioita oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (2)

7 88966

1. Laskevan hakkurin, jonka päävirtapiiri muodostuu kytkimestä (S1), diodista (D) ja induktanssista (L), epäsuora virranmittauspiiri, 5 tunnettu siitä, että kytkimen (S^ mitattu virran hetkellisarvo (ux) on verrannollinen kytkimen (Sx) läpi kulkevaan virtaan (is) ja kytkimen (Sx) johtaessa myös kuormavirtaan (iL), että analogiakytkimen (S2) ja integroivan RC-piirin (R^j) muodostaman kytkennän ulostulosta (u3) saadaan yhtälön (3) integraaliosaan (X^ verrannollinen signaali 10 37 =-¾½ ·-§-/ <3> 1 0 missä t, - kytkimen Si johtoaika 15 td - diodin D johtoaika T - aika iL(t) - virta ajan funktiona että analogiakytkin (S3) ja toinen RC-piiri (R2C2) toteuttavat yhtälössä 20 (3) olevan kertolaskun ts * td T että komparaattori (compl) on sovitettu toimimaan diodin (D) virran 25 indikaattorina perustuen diodin (D) yli olevan jännitteen napaisuuden tutkimiseen, jolloin komparaattorista (compl) saatava signaali on u9 - "1" diodin (D) johtaessa, jolloin kytkimen (S^ ohjaussignaali (u8) ilmaisee suoraan kytkimen läpi kulkevan virran Ja että tai-elimen (ori) ulostulojännite u10 - "1" on ajan 0<t<t,+td Ja nolla ainoastaan virran 30 aukottuessa aikavälillä t,+td<t<T, jatkuvalla virralla t,+td - T, joi- 8 88966 loin kuormavirta (iL) on nollasta poikkeava, jos joko diodin (D) tai kytkimen (Sx) virta on nollasta poikkeava.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen virranmittauspiiri, tunnettu 5 siitä, että operaatiovahvistin (opi) on sovitettu toimimaan jännite-seuraajana tai ei-invertoivana vahvistimena ja estämään RC-piirin (R^) kuormittumisen, ja että operaatiovahvistin (op2) on sovitettu toimimaan jänniteseuraajana tai ei-invertoivana vahvistimena estäen RC-piirin (R2C2) kuormittumisen. 10 9 88966