FI97437B - Elektronisen liitäntälaitteen häiriönsuodatin - Google Patents

Description

97437

Elektronisen liitäntälaitteen häiriönsuodatin. - Stör-ningsfilter för elektronisk kopplingsanordning.

Keksinnön kohteena on purkauslampun elektronisessa liitäntä-- 5 laitteessa käytettävä piirijärjestely, jolla rajoitetaan laitteen verkosta ottaman virran harmonisia yliaaltoja ja muita laitteen synnyttämiä sähkömagneettisia häiriöitä.

Nykyisin pienipaineisten purkauslamppujen elektronisten 10 liitäntälaitteiden rakennetta säädellään kansainvälisillä standardeilla IEC 928 ja IEC 929. Jälkimmäisessä vaaditaan muun muassa syöttöjohtimiin syntyvien harmonisten yliaaltojen rajoittamista tietylle tasolle, joka on määritelty kansainvälisessä standardissa IEC 1000-3-2.

15

Verkkovirran harmonisten yliaaltojen rajoittamiseen tunnetaan useita ratkaisuja passiivisista komponenteista muodostetuista suodatinratkaisuista aktiivisesti ohjattuihin suurella taajuudella toimiviin suodattimiin saakka. Yhden 20 käyttökelpoisen suodatinpiiriryhmän muodostavat ns. varaus-: pumppu- eli kondensaattoripumppupiirit. Näitä on esitetty : ’·· muun muassa seuraavissa patenttijulkaisuissa: FI 78807, : ' EP 389847 ja DE 3611611. Lisäksi on olemassa boost-tyyppisiä hakkurisuodatinpiire jä.

: -Λ 25 • · · ·

Boost-tyyppisen aktiivisen verkkosuodattimen periaatekytken- tä on esitetty kuviossa Fig. 1, jossa katkoviivoin rajattu . ^ alue kuvaa hakkurisuodatinpiiriä, jonka kuormana oleva • · · varsinainen elektroninen liitäntälaite on merkitty symbo- • · · ·, 30 lilla A2. Piirielimien toiminta on seuraava: V1 on diodi- • ·· ' silta, joka tasasuuntaa verkkoliittimiin X1-X2 syötetyn :***: verkko jännitteen. V2 on elektroninen kytkinkomponentti, esimerkiksi MOSFET-transistori, jota ohjaa piirilohko A1.

V2:n johtaessa energiaa varautuu kelaan L1. Kytkimen V2 35 avautuessa kelan L1 energia siirtyy diodin V3 kautta varaus- kondensaattoriin C1. Kytkimen V2 ohjaus voidaan järjestää siten, että navoissa X1 - X2 kulkeva virta on pääosin sini- 2 97437 muotoinen. Tähän periaatteeseen nojaavia piiriratkaisuja on esitetty muun muassa International Rectifierin julkaisemassa sovellusohjeessa AN-995 ("Electronic Ballasts Using the Cost-Saving IR2155 Driver", International Rectifier, 233 5 Kansas Street, El Segundo, CA 90245) sekä patenttijulkaisussa US 5001400. Eräs jatkokehitelmä on esitetty patenttihakemuksessa FI 945473. Kaupallisesti saatavana on integroituja piirejä, jotka on tarkoitettu hoitamaan lohkon A1 tehtävät kuviossa Fig. 1.

10

Boost-tyyppisten hakkurisuodattimien toiminnassa voidaan erottaa seuraavat toimintatavat:

Ryhmä 1: epäjatkuvan kelavirran toimintatavat: kiinteätaa-15 juiset ja vaihtuvataajuiset suodattimet

Ryhmä 2: jatkuvan kelavirran toimintatavat: kiinteätaajuiset ja hystereesisäätöön perustuvat suodattimet.

20 Edellä mainituilla suodatinkonstruktioilla on kuitenkin t eräitä haittoja ja rajoituksia. Ryhmän 1 kiinteätaajuisten • ' · suodattimien virran säröarvot eivät ole kovin hyvät ja :: käyttökelpoinen tulos saadaan aikaan lisäämällä säätöön erilaisia korjaavia aaltomuotoja. Tämä tietenkin lisää : .·. 25 toteutuksen monimutkaisuutta. Ryhmän 1 vaihtuvataajuisilla • · · · toteutuksilla puolestaan virran särö on pieni, mutta tällöin • · · tarvitaan kelavirran katkeamisen ilmaisu.

• · • · · ·”/ Ryhmän 2 kiinteätaajuisissa hakkureissa virran säätö voidaan • · · *·[ ’ 30 toteuttaa monin eri tavoin ja virran särön suhteen lopputu- :los riippuu toteutustavasta. Hystereesisäädössä, jossa • · · :***: hakkurikytkintä ohjataan maksimi- ja minimivirran ohjearvoa *. sinimuotoisesti muuttamalla, säätö vaatii kelavirran mit- ·'” tauksen ja kertojapiirin käyttöä pienen särön saavuttamisek- 35 si eli jälleen pieni virran särö vaatii monimutkaisen piiri-toteutuksen. Esitetyissä ratkaisuissa myöskään verkkovirran aaltomuotoa ei hallita verkkojännitteen nollakohtien lähel- 3 97437 lä. Lisäksi kaikki piiriratkaisut eivät sovi käytettäviksi purkauslamppujen säädettävissä liitäntälaitteissa, joissa lamppua halutaan himmentää.

5 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epäkohdat ja aikaansaada erittäin pieni virran särö ja laitteen suuri tehokerroin yksinkertaisella piirirakenteella. Keksintö perustuu hakkurin toimintatavan hallittuun vaihtamiseen jatkuvan ja epäjatkuvan toimintatavan välillä 10 hakkurin toimintapisteestä riippuen. Keksinnön mukaiselle kytkennälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimusten 1 - 9 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaisen piirin etuna on erittäin pienen virran 15 särön ja hyvän tehokertoimen saavuttaminen yksinkertaisella piirirakenteella. Verkkovirran aaltomuoto on hallittavissa myös verkkojännitteen nollakohtien lähellä. Lisäksi tämä piiri on käyttökelpoinen säädettävissä liitäntälaitteessa, joissa lampun tuottamaa valoulostuloa halutaan muuttaa 20 ulkopuolisen ohjaussignaalin määräämälle tasolle.

:Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin sovellusesimer- kin avulla viittaamalla piirustuksiin Fig. 2 ja Fig. 3, jotka esittävät erästä keksinnön mukaista piiritoteutusta ja :25 sen toimintaa. Piirustuksissa varsinainen liitäntälaite on • · · • · · · kuvattu yksinkertaistettuna korvaamalla nämä osat lohkolla • · · A2, koska suodattimen kannalta liitäntälaite on oleellisesti . . vakiotehoinen kuorma. Tehokytkimien ohjauslohko AI voi olla • · · ••j/ erillinen ohjauspiiri tai edullisemmin liitäntälaiteosaan A2 • · · *·| 30 muutoinkin kuuluva oskillaattori. Diodisilta V1 toimii koko- ; aaltotasasuuntaajana. Kytkennän toiminta on kaksivaiheista.

• · · .***; Ensimmäisessä vaiheessa kytkin V2 johtaa, jolloin syöttöjän- • · · *. nitteen aiheuttama virta kasvaa kelassa L1 suhteessa syöttö- *·*·_ jännitteen suuruuteen. Virran kulku ensimmäisessä toiminta- 35 vaiheessa on esitetty kuviossa Fig.2, jossa tummennettu yhtenäinen viiva kuvaa virtatietä. Kun transistori V2 avataan vaiheessa 2 pakottaa kelaan L1 sitoutunut energia 4 97437 virran jatkumaan kelassa. Sillä ei ole nyt muuta tietä kuin virrata diodin V3 kautta varauskondensaattoriin C1 ladaten sitä ja tämä tilanne on esitetty piirustuksessa Fig. 3 tummennetulla viivalla. Kelaan yhden jakson aikana sitoutu-5 neen energian määrä on riippuvainen tulojännitteen suuruudesta ja V2:n päälläoloajasta.

Keksinnön mukaisessa piirissä edellä kuvattua kytkentää ohjataan niin, että hakkurin toimintatapaa vaihdetaan tie- 10 tyssä toimintapisteessä. Kiinteä taajuus on tässä sama kuin kuvioiden Fig. 1 - Fig. 3 lohkoon A2 sisältyvän lamppupiirin taajuus. Noin puolet verkkojakson kokonaisajasta keksinnön mukainen hakkuri toimii kiinteällä 50 % pulssisuhteella.

Verkkojännitteen huippuarvon lähellä pulssisuhdetta puoles- 15 taan säädetään pienemmäksi ohjauslohkossa A1. Säätöparamet- reina ovat hakkurikytkimen V2 maksimivirta ja hakkurin lähtöjännite. Säätöpiirin toiminta on hyvin yksinkertainen: virtarajan arvoa säädetään lähtöjännitteestä saatavalla takaisinkytkennällä. Hakkurikela on mitoitettu niin, että 20 kiinteän pulssisuhteen aikana kelaan L1 ladattu energia T purkautuu kokonaan varauskondensaattoriin C1 eli kyseessä on epäjatkuvan kelavirran toimintatapa. Jännitteen huippuarvon : : lähellä kelan LI energia ei ehdi purkautua kokonaan varaus- kondensaattoriin Cl, eli kyseessä on tällöin jatkuvan kela- : 25 virran toimintatapa. Valitsemalla toimintatavan vaihtopiste ·· · · sopivasti saadaan verkosta otettu virta hyvin tarkasti • · · sinimuotoiseksi (harmoninen kokonaissärö alle 7 % ja piirin . . tehokerroin 0,98). Toimintatavan vaihtopisteen valintaan • · · • · · ...... ·« **·.* vaikuttaa kuorman suuruus, lähtö jännitteen ja tulojännitteen • · · *·] 30 suhde, toimintataajuus ja kelan induktanssi. Mainittu toi- : mintatapa käy ilmi kuvasarjasta Fig. 4-11, jossa • · · • · · t :

Fig. 4 esittää kytkimen V2 yläpään (piirielimien L1 ja V3 ·’ liitäntäpisteen) jännitteen aaltomuotoa 35 Fig. 5 esittää kytkimen V2 virran aaltomuotoa hakkurin epäjatkuvassa toimintatilassa 5 97437

Fig. 6 esittää kytkimen V2 virran aaltomuotoa hakkurin jatkuvassa toimintatilassa

Fig. 7 esittää kelan LI virran aaltomuotoa toimintatilan vaihtohetkellä 5 Fig. 8 esittää kelan L1 virran aaltomuotoa epäjatkuvassa toimintatilassa

Fig. 9 esittää kelan LI virran aaltomuotoa jatkuvassa toimintatilassa

Fig. 10 esittää diodin V3 virran aaltomuotoa jatkuvassa 10 toimintatilassa

Fig. 11 esittää suodattimen verkkovirran aaltomuotoa liitännässä X1 - X2.

Keksinnön mukaisen ratkaisun yksinkertaisuus johtuu siitä, 15 että kelassa ei tarvita lisäkäämiä virran katkeamisen ilmaisemiseksi, säätöpiirissä ei tarvita kertoja-astetta eikä virtarajan säädössä tarvita sinimuotoista tai muunlaista aaltomuotoon vaikuttavaa korjausta. Siten rakenne on myös toteutuskustannuksiltaan hyvin edullinen.

20 : Keksinnön mukainen piiri on käyttökelpoinen myös säädettä- : '·· vissä purkauslamppujen liitäntälaitteissa, joissa lampun : ; tehoa säädetään pienemmäksi nostamalla syöttötaajuutta.

Tällöin myös hakkurin nimellisteho laskee ja säröarvot j ·*· 25 pysyvät hyvinä.

• · t · • · · f · · ♦ · ·

Keksinnön mukaista piirijärjestelyä voidaan täydentää kytke- . . mällä induktiivinen piirielin verkkosyötön navan X1 ja • · · * * * ‘.W tasasuuntaimen V1 väliin, kapasitiivinen piirielin napojen • · · ’·[ ' 30 X1 ja X2 väliin tai kapasitiivinen piirielin tasasuuntaimen : V1 positiivisen ja negatiivisen navan yli. Näiden piirieli- mien tarkoituksena on vaimentaa radiotaajuisia sähkömagneettisia häiriöitä.

35 Keksinnön mukainen piirijärjestely sopii käytettäväksi erityisesti pienipaineisten purkauslamppujen elektronisissa liitäntälaitteissa, joiden perusratkaisut ovat tunnettuja 6 97437 esimerkiksi patentista FI 65 524. Alan ammattimiehelle on kuitenkin selvää, että keksintö ei rajoitu pelkästään edellä kuvattuun käyttökohteeseen, vaan on sovellettavissa yhtä hyvin suurpainelamppujen elektronisissa liitäntälaitteissa 5 kuin muissakin hakkuriperiaatteella toimivissa liitäntälaitteissa .

» * f · * ft · · • · » · • « · i : : • · · • · ♦ • · · ♦ ««· « * · • « * • · · • · · • · · • % · i : «

· i . dllb lii * M

Claims (9)

1. Purkauslampun elektronisen liitäntälaitteen häiriönsuodatin, joka kytketään liitäntälaitteen ja verkkosyötön väliin, * 5 käsittäen syöttöjännitteen tasasuuntaimen (V1) ja varaus- kondensaattorin (C1), ainakin yhden energiaa varastoivan kelan (L1) ja elektronisen kytkinelementin (V2) kytkettyinä siten, että kytkinelementin (V2) johtaessa on virtatie tasasuuntaimen (V1) positiivisesta navasta mainitun kytkimen 10 ja kelan kautta sen negatiiviseen napaan ja kytkimen (V2) ollessa johtamattomana on virtatie tasasuuntaimen positiivisesta navasta diodin (V3) ja varauskondensaattorin (Cl) kautta sen negatiiviseen napaan, tunnettu siitä, että kytkinelementtiä (V2) ohjataan vakiotaajuisella kiin-15 teän pulssisuhteen omaavalla ohjauksella tiettyyn verkkojän-nitteen hetkellisarvoon nähden määriteltävään toimintapisteeseen saakka, jonka jälkeen pulssisuhde muuttuu.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen häiriönsuodatin, t u n -20 n e t t u siitä, että kiinteän pulssisuhteen aikana kelaan ·' (LI) ladattu energia purkautuu kokonaan varauskondensaatto- riin ja muuttuvan pulssisuhteen aikana kelan (LI) energia ei · ehdi purkautua kokonaan varauskondensaattoriin (Cl ). . I f · · * <4 ; .·. 25

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen häiriönsuodatin, t u n - • · · ·;·, n e t t u siitä, että mainittu toimintatapa saavutetaan S · · kelan (Li) induktanssin sopivalla mitoituksella. • · « · f

··· · 4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen häiriönsuodatin, M* f t » » .... .« .. «, *·* * 30 tunnettu siitä, että pulssisuhteen saato saadaan » • :*; aikaan säätämällä kytkinelementin (V2) virtarajan arvoa ·«« ,**·. suodattimen lähtöjännitteestä johdettavalla takaisinkytken- täsignaalilla. ' ' 35

5. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3 tai 4 mukainen häiriönsuoda tin, tunnettu siitä, että kytkinelementin (V2) ohjaustavan vaihdon määräävä toimintapiste verkkojännitteen 8 97437 hetkellisarvon suhteen on valittu siten, että verkosta otetun virran harmoninen kokonaissärö on mahdollisimman pieni.

6. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3, 4 tai 5 mukainen häiriön— suodatin, tunnettu siitä, että kytkinelementin (V2) ohjaustavan vaihdon määräävä toimintapiste verkkojännitteen hetkellisarvon suhteen on valittu siten, että suodatinkyt-kennän ja kuormapiirin (A2) muodostaman kokonaisuuden teho-10 kerroin on mahdollisimman suuri.

7. Jokin patenttivaatimuksen 1, 2, 3, 4, 5 tai 6 mukainen häiriönsuodatin, tunnettu siitä, että verkkosyötön ja tasasuuntaimen väliin on kytketty vähintään yksi ka- 15 pasitiivinen tai induktiivinen piirielin.

7 97437

8. Jokin patenttivaatimuksen 1, 2, 3, 4, 5, 6 tai 7 mukainen häiriönsuodatin, tunnettu siitä, että tasasuuntaimen positiivisen ja negatiivisen navan väliin on kytketty 20 kapasitiivinen piirielin.

9. Jokin patenttivaatimuksen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 tai 8 ; ; mukainen häiriönsuodatin, tunnettu siitä, että , . : elektroninen kytkinelementti (V2) on kanavatransistori tai * ,·. 25 eristetyllä hilalla varustettu bipolaarinen transistori tai • · · bipolaaritransistori. • * · r 9 9 • · • · · . · · ·«· · » » « • · · - · ♦ t I » • · « • · · * ♦ I » * » 97437 9