FI96808C - Jännitelähde - Google Patents

Description

96808 Jännitelähde - Spänningskälla

Keksinnön kohteena on jännitelähde, joka käsittää ainakin 5 tulojännitteestä syötettävän vakiovirtalähteen ja sitä kuormittavan resistanssin, jonka päiden välille vertailu-jännite muodostuu.

Hyvän teholähteen lähtöjännite on vakaa, kytketystä kuor-10 masta, vallitsevasta lämpötilasta sekä teholähdettä syöttävästä jännitteestä riippumaton. Tavallisesti lähtöjän-nite stabiloidaan takaisinkytkennällä, jossa sitä verrataan annettuun asetusarvoon eli vertailujännitteeseen ja tarvittaessa säädetään asetusarvon mukaiseksi.

15

Kuormaan kytketyn teholähteen lähtöjännitteen tai -virran poikkeamat vertailujännitteen antamasta asetusarvosta ilmaistaan erovahvistimellä, joka on yksinkertaisimmillaan tavallinen operaatiovahvistin. Erovahvistimen tuloihin 20 tuodaan teholähteen lähtöjännite tai lähtövirtaan verrannollinen jännite sekä asetusarvona toimiva vertailujännite. Erovahvistimen lähdöstä saadaan tuloihin kytkettyjen jännitteiden poikkeamaa kuvaava erojännite, joka takaisinkytkettynä teholähteen jännitteen- tai virransyöttöä 25 sääteleviin osiin ohjaa lähtöjännitteen oikeaan arvoonsa.

Kuvassa 1 on esitetty lohkokaaviona eräs verkkoerotettu, flyback-tyyppinen hakkuriteholähde. Teholähteen tuloport-tiin P1 tuodaan vaihtojännite, joka johdetaan sulakkeen 30 FUSE ja syöksyvirran rajoittimen IICL kautta alipäästö-suodattimelle Fl, tasasuunnataan diodikytkennällä Dl ja suodatetaan kapasitanssilla Cl. Näin saatu tasajännite johdetaan muuntajan ensiön Tl kautta kytkimelle SI, joka on edullisesti mosfet-, bipolaaritransistori tai näiden 35 yhdistelmä. Kytkin SI säätelee teholähteen virransyöttöä kytkien ensiöpiiriä kiinni ja auki pulssinleveysmodulaat- 2 96808 torilta PWM tulevan ohjaussignaalin tahdissa. Sekä teholähteen lähtöjännite Vout että vertailujännite Vref muodostetaan muuntajan toisioon T2 syntyvästä pulssimaisesta jännitteestä. Nämä jännitepulssit tasasuunnataan diodi-5 kytkennällä D2 ja suodatetaan kapasitanssien C2 ja C3 avulla tasajännitteen Vout muodostamiseksi. Vastaavasti toisiokäämiin T2 muodostuvasta pulssimaisesta jännitteestä tasasuunnataan diodikytkennällä D3 ja suodatetaan kapasitanssilla C4 vertailujännitelähteen REF tulojännite 10 vin. Vertailujännitteen muodostava lohko REF toteutetaan tavallisesti zenerdiodikytkennällä, josta on kaksi esimerkkiä kuvissa 2 ja 3. Erovahvistin EA vertaa lähtöjän-nitettä Vout tai lähtövirtaan Iout verrannollista jännitettä annettuun asetusarvoon Vref. Erovahvistimen lähdös-15 tä on takaisinkytkentä optoerottimen OPTO ISOL kautta pulssinieveysmodulaattoriin PWM, jonka generoimat pulssit ohjaavat ensiöpuolen kytkintä SI oikean lähtöjännitteen VOUf ta;*- -virran Iout-tason saavuttamiseksi. Kuvassa on esitetty myös oskillaattori OSC, joka muodostaa modulaat-20 torin PWM tarvitseman perustaajuuden, sekä oskillaattorin ja puissinleveysmodulaattorin oma teholähde AUX SUPPLY, jota syötetään muuntajan ensiöstä Tl. Muuntajan ensiön Tl virransyöttöä säädellään siis erovahvistimen EA ohjaamalla kytkennällä, joka koostuu mainituista pulssinle-25 veysmodulaattorista PWM ja oskillaattorista OSC. Vastaava ohjauskytkentä on mahdollista toteuttaa myös muuntajan toision T2 puoleiseen laitteen osaan. Edellä esitetyn kaltaiset teholähteet ovat hyvin yleisesti käytettyjä.

30 Kuvan 2 yksinkertaisessa vertailujännitelähdekytkennässä zenerdiodi Z1 toimii jännitteensäätelijänä pyrkien pitämään lähtöjännitteen Vref vakiona riippumatta syöttövirran I tai syöttöjännitteen V^n vaihteluista. Tällaisen vertailujännitelähteen ongelmana tunnetusti on, että ze-35 nerdiodi ei äärellisestä sisävastuksestaan johtuen pysty riittävästi eliminoimaan syöttöjännitteessä V^n tapahtu-

II

3 96808 via muutoksia. Jotta vertailujännite Vref täyttäisi sille asetetut stabiiliusvaatimukset, on joko pyrittävä eliminoimaan syöttöjännitteessä ν^η tapahtuvat muutokset tai parannettava kytkentää riippumattomaksi syöttöjännitteen 5 Vj_n vaihteluista.

Eräs tällainen syöttöjännitteestä riippumaton kytkentä on esitetty kuvassa 3. Tässä kytkennässä syöttöjännitteen vin vaihtelun vaikutus eliminoidaan vakauttamalla zener-10 diodin Zl läpi kulkeva virta I toisen zenerdiodin Z2 ja vastusten Rl, R2 ja transistorin TRI muodostamalla vakio-virtageneraattorilla. Tämä kytkentäjärjestely on kuitenkin jo merkittävästi kuvan 2 yksinkertaista kytkentää monimutkaisempi. Komponenttien määrä on vähintään kaksin-15 kertainen ja tästä syystä myös tilankulutus ja valmistuskustannukset suuremmat kuin kuvan 2 peruskytkennässä.

Eräs tapa eliminoida syöttöjännitteen ν^η vaihteluja on lisätä muuntajan toisioon oma käämi vertailujänniteläh-20 dettä varten, jolloin vertailujännitelähde saadaan riippumattomaksi teholähteen kuormituksesta aiheutuvista virta- ja jännitemuutoksista. Ylimääräisen toisiokäämin lisääminen kasvattaa kuitenkin muuntajan kokoa, joten sitä ei voi soveltaa pienikokoisten laitteiden teholäh-25 teissä tai pienikokoisten akkukäyttöisten laitteiden latauslaitteissa. Lisäkäämi lisää luonnollisesti myös teholähteen valmistuskustannuksia.

Jännitelähde voidaan toteuttaa myös kaupallisilla, integ-30 roiduilla vertailujännitelähdekomponenteilla eli jännite-regulaattoreilla, joissa ei ole edellä esitetyn kaltaista syöttöjänniteriippuvuutta, mutta jotka ovat usein liian kalliita ottaen huomioon teholähteen tai sitä hyödyntävän lopputuotteen hinnan.

35 4 96808 Tämän keksinnön mukaisella kytkennällä voidaan toteuttaa tunnettuun tekniikkaan nähden yksinkertainen ja halpa jännitelähde, jonka komponenttimäärä ja siten tilankulu-tus on pieni. Keksintö on esitetty patenttivaatimuksessa 5 1.

Keksinnön periaatteena on käyttää integroidun piirin käyttöjännitetuloon liittyvää piirin sisäistä vakiovirta-lähdettä vertailujännitteen muodostamisessa. Edullisesti 10 integroitu piiri toteuttaa erovahvistimen, joka ilmaisee teholähteen lähtöjännitteen ja vertailujännitteen välisen jännite-eron.

Seuraavassa keksintöä kuvataan tarkemmin oheiseen piirus-15 tukseen viitaten, jonka kuva 1 esittää erään flyback-tyyppisen hakkuriteholähteen 1ohkokaavion, 20 kuva 2 esittää yksinkertaisen, tunnetun vertailujännite-lähdekytkennän, kuva 3 esittää erään tunnetun vertailujännitelähdekytken-nän, 25 kuva 4 esittää vertailujännitelähteen vastinkytkennän, kuva 5 esittää erään operaatiovahvistinpiirin vahvistin-asteen sisäisen kytkennän, 30 kuva 6 esittää ensimmäisen keksintöä soveltavan vertailu-jännitelähdekytkennän, ja kuva 7 esittää toisen keksintöä soveltavan vertailujänni-35 telähdekytkennän.

fl 5 96808

Kuvia 1 - 3 on tarkasteltu edellä. Kuvassa 4 vertailujännitelähde on esitetty vastinkytkennän avulla, jossa on tulojännitteestä V^n syötettävä vakiovirtalähde 1^ ja sitä kuormittava resistanssi R, jonka napojen välille ver-5 tailujännite Vref muodostuu. Tässä keksinnössä kuvan 4 vakiovirtalähdettä 1^ vastaava virtalähde muodostuu integroidun piirin sisäisestä, käyttöjännitetuloon kytketystä vakiovirtalähteestä, joka stabiloi integroidulle piirille johdetun virran. Eräs tällaisen vakiovirtaläh-10 teen sisältävä operaatiovahvistinpiirin sisäinen vahvis-tinaste on esitetty kuvassa 5. Vakiovirtalähde muodostuu useasta erillisestä rinnankytketystä vakiovirtageneraat-torista, current regulator. Käyttöjännitetulon Vcc kautta kulkeva kokonaisvirta on 15 Itot =12+12+ ··· + In» jossa li, I2, · · · . *n ovat erillisten piirin sisäisten vakiovirtageneraattorien synnyttämät virrat.

Keksinnön mukainen jännitelähde on esitetty kuvassa 6.

20 Resistanssin toteuttaa estosuuntaan biasoitu zenerdiodi

Zl, jonka anodi on kytketty erovahvistinpiirin IC käyttö-jännitetuloon Vcc ja piirin sisäisen vakiovirtalähteen li kautta maahan katodin ollessa kytkettynä tulojännittee-seen Vin. Zenerdiodin Zl napojen väliin muodostuu vertai-25 lujännite Vref.

Toinen keksintöä soveltava jännitelähdekytkentä on esitetty kuvassa 7. Kytkennässä transistorit TR2 ja TR3 muodostavat virtapeilin, joka säätää zenerdiodin kautta kul-30 kevaa virtaa I'. Transistorin TR2 emitteri on kytketty erovahvistinpiirin IC käyttöjännitetuloon Vcc, jolloin virta I on piirin sisäisten vakiovirtageneraattoreiden määräämä vakiovirta. Zenerdiodin Zl kautta kulkee vakio-virta i' = kl, jossa k = virtapeilin aiheuttama vahvis-55 tus/vaimennus. Vertailujännite Vref muodostuu zenerdiodin Zl napojen välille.

6 96808

Keksinnön avulla voidaan toteuttaa yksinkertainen ja halpa jännitelähde, jonka lähtöjännite on erittäin vakaa. Keksintö eliminoi yksinkertaisille vertailujänniteläh-5 teille tyypillisen syöttöjänniteriippuvuuden. Keksinnön mukaisen jännitelähteen komponenttimäärä on pieni, joten se soveltuu hyvin pienikokoisiin laitteisiin sekä akku-käyttöisten pienlaitteiden, esimerkiksi käsipuhelimien, latauslaitteisiin. Keksinnön hyödyntäminen pudottaa teho-10 lähteen jännitelähteen osalta valmistuskustannuksia noin 50 % verrattuna tunnetun tekniikan mukaisen jänniteregu-laattoripiirin käyttöön vertailujännitteen muodostamisessa. Vertailujännitteet ovat sekä erillisellä jänniteregu-laattoripiirillä tuotettuna että keksintöä soveltaen sta-15 biiliudeltaan verrannolliset. Keksinnön soveltamisen myötä teholähteen komponenttimäärä pienenee siinä määrin, että myös kokoonpanokustannuksissa saavutetaan säästöä.

Keksintö on erityisen edullinen 5 - 200 W alueella toimi-20 vissa flyback-tyyppisissä hakkuriteholähteissä, joiden osalta idean toimivuus on käytännössä testattu. Keksintöä voidaan soveltaa sekä vaihto- että tasajännitesyöttöisiin teholähteisiin. Keksinnön suoritusmuodot eivät rajoitu edellä esitettyihin, vaan keksintöä on mahdollista sovel-25 taa oheisten patenttivaatimusten sallimassa laajuudessa.

Il

Claims (5)

96808

1. Jännitelähde, joka ainakin käsittää tulojännitteestä (Vin) syötettävän vakiovirtalähteen (I^) ja sitä kuormittavan resistanssin (R), jonka päiden välille vertailujän-5 nite (Vref) muodostuu, tunnettu siitä, että vakiovirta-lähteenä toimii integroidun piirin (IC) sisäinen, käyttö-jännitetulon (Vcc) kautta syötettävä vakiovirtalähde (II).

2. Patenttivaatimusten 1 mukainen jännitelähde, tunnettu siitä, että resistanssin (R) muodostaa estosuuntainen ze-nerdiodi (Zl).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen jännitelähde, tunnettu 15 siitä, että zenerdiodin (Zl) katodi on kytketty tulojän- nitteeseen (V±n) ja anodi on kytketty käyttöjännitetuloon (vcc)·

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen jännitelähde, tunnettu 20 siitä, että zenerdiodin (Zl) katodi on kytketty virtapeilin (TR2, TR3) kautta käyttöjännitetuloon (Vcc) ja anodi on kytketty maahan.

5. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen jännitelähde, 25 tunnettu siitä, että integroitu piiri (IC) toteuttaa vertailu jännitteen (Vref) ja vertailtavan jännitteen (Vout) välistä jännite-eroa ilmaisevan erovahvistimen (EA) . 96808