FR2741729A1

FR2741729A1 - Method to obtain constant voltage from variable DC source for lighting applications

Info

Publication number: FR2741729A1
Application number: FR9614016A
Authority: FR
Inventors: Asenjo Jose Luis Iribarren
Original assignee: Saft Nife Iberica SL
Current assignee: Saft Nife Iberica SL
Priority date: 1995-11-23
Filing date: 1996-11-18
Publication date: 1997-05-30
Also published as: ES2114466B1; ES2114466A1

Abstract

The method involves switching the DC supply by a pulse-width modulated (PWM) chopper operating at either a fixed or a variable frequency. The pulse width is modulated by a feedback controller whose set input varies as a function of the supply voltage obtained from the battery. The set input is varied so as to maintain a constant output voltage from the PWM chopper. The set value is obtained by deducing the proportion of the supply voltage that is fixed and the proportion that is variable. The coefficients used in this computation are obtained by least-squares fit of the optimum error between the output and the input potentials.

Description

PROCEDE D'OBTENTION D'UNE TENSION EFFICACE CONSTANTE A
PARTIR D'UNE TENSION CONTINUE VARIABLE
La présente invention concerne un procédé permettant de contrôler la valeur efficace de la tension aux bornes d'un récepteur lorsque celui-ci est alimenté par une tension continue variable dans une marge limitée, de manière que les variations de cette tension continue ne perturbent pas le fonctionnement du récepteur.PROCESS FOR OBTAINING AN EFFICIENT CONSTANT VOLTAGE A
FROM A VARIABLE CONTINUOUS VOLTAGE
The present invention relates to a method making it possible to control the effective value of the voltage across the terminals of a receiver when the latter is supplied by a variable DC voltage within a limited margin, so that the variations of this DC voltage do not disturb the receiver operation.

L'invention s'applique notamment, mais de façon non limitative, au maintien du flux lumineux des lampes à incandescence lorsqu'elles sont alimentées à partir d'une batterie ou d'une pile dont la tension varie en fonction de l'état de sa charge. The invention applies in particular, but not limited to, the maintenance of the luminous flux of incandescent lamps when they are powered from a battery or a cell whose voltage varies according to the state of his load.

Lorsque des lampes à incandescence sont alimentées à partir d'une batterie ou d'une pile, dont la tension varie évidemment en fonction de l'état de sa charge, il est bien connu que le flux lumineux de cette lampe dépendra directement et essentiellement de la valeur efficace de sa tension d'alimentation. Dans ce sens, on peut estimer qu'une variation de la tension d'alimentation de 15 % produit une variation du flux de 50% environ. When incandescent lamps are supplied from a battery or a cell, the voltage of which obviously varies according to the state of its charge, it is well known that the luminous flux of this lamp will depend directly and essentially on the effective value of its supply voltage. In this sense, we can estimate that a variation of the supply voltage of 15% produces a variation of the flux of approximately 50%.

Dans ces conditions, le maintien d'un flux lumineux minimum implique le surdimensionnement de la batterie et une réduction de la durée de vie de la lampe. Under these conditions, maintaining a minimum luminous flux implies oversizing the battery and reducing the life of the lamp.

La plupart des solutions connues à ce problème impliquent un coût supérieur à l'économie qui peut être obtenue, ce qui conduit à admettre que ces inconvénients sont sans solution. Most of the known solutions to this problem involve a cost greater than the savings which can be obtained, which leads to admitting that these drawbacks are without solution.

D'une façon plus concrète, et en écartant l'utilisation d'un régulateur linéaire, à cause de ses pertes élevées, une solution typique consiste à utiliser un convertisseur de modulation de largeur d'impulsions (PWM) de la tension de la batterie, suivi d'un filtre d'harmoniques, afin de pouvoir ajuster une tension continue. Puisque la valeur d'une tension continue coïncide avec sa valeur efficace, ce système régule également la tension efficace qui est celle qui perturbe le flux lumineux de la lampe et sa durée de vie. More concretely, and bypassing the use of a linear regulator, because of its high losses, a typical solution consists in using a pulse width modulation converter (PWM) of the battery voltage. , followed by a harmonic filter, in order to be able to adjust a DC voltage. Since the value of a DC voltage coincides with its RMS value, this system also regulates the RMS voltage which is the one which disturbs the luminous flux of the lamp and its lifetime.

Cette solution présente notamment l'inconvénient fondamental du coût du filtre, coût qui peut être réduit en augmentant la fréquence du convertisseur PWM, ce qui génère à son tour une augmentation des pertes et oblige à utiliser des transistors de plus grande vitesse qui compliquent le contrôle. Le résultat final est un coût global plus élevé qu'en absence du régulateur. This solution has in particular the fundamental drawback of the cost of the filter, a cost which can be reduced by increasing the frequency of the PWM converter, which in turn generates an increase in losses and requires the use of higher speed transistors which complicate the control. . The end result is a higher overall cost than in the absence of the regulator.

D'autres solutions possibles présentent l'inconvénient de devoir travailler souvent à des tensions de batterie très basses, comme pour les applications d'éclairage d'urgence et d'éclairage portable. Other possible solutions have the disadvantage of often having to work at very low battery voltages, such as for emergency lighting and portable lighting applications.

Le procédé proposé par l'invention résout d'une façon entièrement satisfaisante le problème ci-dessus, en permettant d'obtenir un régulateur à très bas prix, ce qui permet à son tour d'adapter la tension de la batterie à toute tension de lampe plus basse et qui, en outre, est applicable à une batterie basse tension, jusqu'à 2,5 volts, ce qui est pratiquement impossible avec les procédés connus à l'heure actuelle. The method proposed by the invention completely satisfies the above problem, by making it possible to obtain a regulator at very low cost, which in turn makes it possible to adapt the voltage of the battery to any voltage of lower lamp and which, moreover, is applicable to a low voltage battery, up to 2.5 volts, which is practically impossible with the methods known at present.

Pour ce faire, et plus concrètement, le système de l'invention est basé sur l'utilisation d'une boucle de contrôle ajustant la tension moyenne générée par l'intermédiaire d'un convertisseur PWM qui découpe la tension d'alimentation, à fréquence fixe ou variable, et dont la consigne varie en fonction de la tension d'alimentation afin de maintenir pratiquement constante la tension efficace aux bornes de ce récepteur. To do this, and more concretely, the system of the invention is based on the use of a control loop adjusting the average voltage generated by means of a PWM converter which cuts the supply voltage, at frequency fixed or variable, and whose setpoint varies depending on the supply voltage in order to keep the effective voltage across this receiver practically constant.

La tension de consigne variable est obtenue en soustrayant d'une tension fixe une proportion également fixe de la tension d'alimentation, qui est variable dans une marge limitée. The variable setpoint voltage is obtained by subtracting from a fixed voltage an equally fixed proportion of the supply voltage, which is variable within a limited margin.

Selon une autre des caractéristiques de l'invention, les coefficients ci-dessus, c'est-à-dire la tension fixe de laquelle est soustraite la proportion également fixe de la tension d'alimentation, ainsi que cette proportion, peuvent être calculés en fonction de plusieurs critères pratiques et, notamment, en fonction de critères d'optimisation de l'erreur de la tension efficace par rapport à la tension idéale, comme la méthode des moindres carrés, des valeurs préajustées des tensions efficaces sur deux points quelconques de la marge de variation de la tension d'alimentation, etc. According to another of the characteristics of the invention, the above coefficients, that is to say the fixed voltage from which the equally fixed proportion of the supply voltage is subtracted, as well as this proportion, can be calculated by function of several practical criteria and, in particular, according to criteria of optimization of the error of the effective tension compared to the ideal tension, like the method of the least squares, of the pre-adjusted values of the effective tensions on any two points of the margin of variation of the supply voltage, etc.

Le bas prix de la conversion PWM sans filtrage est joint donc à la régulation de la valeur moyenne afin d'obtenir la régulation de la tension efficace. The low price of the PWM conversion without filtering is therefore combined with the regulation of the average value in order to obtain regulation of the effective voltage.

Le procédé de l'invention peut s'étendre également au contrôle de l'intensité efficace consommée par un récepteur à partir d'un générateur d'intensité continue variable, dans une marge limitée. The method of the invention can also be extended to control the effective intensity consumed by a receiver from a variable continuous intensity generator, within a limited margin.

Avantageusement, les caractéristiques de l'invention pourront mieux se comprendre avec la description suivante faite en regard des dessins joints, dans lesquels
La figure 1 est un schéma-bloc d'un régulateur PWM, sans filtre, utilisable comme boucle de contrôle de la valeur moyenne.Advantageously, the characteristics of the invention can be better understood with the following description given with reference to the accompanying drawings, in which
Figure 1 is a block diagram of a PWM regulator, without filter, usable as a mean value control loop.

La figure 2 est un diagramme représentant les valeurs de la tension, en fonction du temps, obtenues au moyen du circuit de la figure 1. FIG. 2 is a diagram representing the values of the voltage, as a function of time, obtained by means of the circuit of FIG. 1.

La figure 3 est un diagramme représentant la valeur efficace de la tension de sortie en fonction de la valeur de la tension de la batterie, obtenu par application du procédé selon l'invention. FIG. 3 is a diagram representing the effective value of the output voltage as a function of the value of the battery voltage, obtained by applying the method according to the invention.

La figure 4 est un diagramme représentant l'erreur relative d'approximation en fonction du paramètre défini par la relation entre les valeurs maximale et minimale de la tension de la batterie, obtenu par application du procédé selon l'invention. FIG. 4 is a diagram representing the relative approximation error as a function of the parameter defined by the relationship between the maximum and minimum values of the battery voltage, obtained by application of the method according to the invention.

Les figures 5 et 6 représentent des exemples de schémas fonctionnels conformes à l'invention. Figures 5 and 6 show examples of block diagrams according to the invention.

Enfin, la figure 7 montre le schéma complet d'un circuit d'application pratique de ce procédé. Finally, Figure 7 shows the complete diagram of a practical application circuit of this method.

Le procédé de l'invention part de l'idée d'analyser la tension efficace de sortie d'un régulateur PWM, sans filtrer, lorsque l'on utilise une boucle de contrôle de la valeur moyenne, tel que représenté sur la figure 1, composé d'un additionneur 1, un contrôleur 2 et un amplificateur PWM 3. La tension qui arrive au contrôleur 2 correspond à la valeur de consigne ou tension de référence (Vr) moins la tension de sortie (Vs), Vb étant la tension de la batterie. The method of the invention starts from the idea of analyzing the effective output voltage of a PWM regulator, without filtering, when a control loop of the average value is used, as shown in FIG. 1, composed of an adder 1, a controller 2 and a PWM amplifier 3. The voltage which arrives at controller 2 corresponds to the reference value or reference voltage (Vr) minus the output voltage (Vs), Vb being the voltage of battery.

Le schéma de la figure 2 montre le découpage de la tension de la batterie, à fréquence fixe, et la valeur constante de la tension efficace de sortie. The diagram in Figure 2 shows the breakdown of the battery voltage, at fixed frequency, and the constant value of the effective output voltage.

La valeur efficace de sortie est donnée par:

The effective output value is given by:

Vb étant la valeur de la tension maximale de l'onde antérieure, t/T est le rapport entre le temps de conduction et la période du PWM.Vb being the value of the maximum voltage of the anterior wave, t / T is the ratio between the conduction time and the period of the PWM.

En admettant que le gain en continu du vérificateur est très élevé, par exemple un intégrateur, le système de contrôle fera que la valeur moyenne de sortie Vsm coïncide avec la valeur de consigne Vr. Assuming that the continuous gain of the verifier is very high, for example an integrator, the control system will cause the average output value Vsm to coincide with the set value Vr.

VbtX
Vsm = Vr =
T
Dans ces circonstances, la valeur efficace de sortie sera

et, par conséquent

VbtX
Vsm = Vr =
T
In these circumstances, the effective output value will be

and therefore

Si l'on suppose que VSeff est constant alors que Vb change, il est évident que ceci ne peut s'obtenir qu'en faisant varier Vr. Notamment, si Vr était k/Vb, alors la valeur de Vseff serait
Vseff =
et, par conséquent, constante, comme on le souhaite.If we assume that VSeff is constant while Vb changes, it is obvious that this can only be obtained by varying Vr. In particular, if Vr was k / Vb, then the value of Vseff would be
Vseff =
and therefore constant, as desired.

C'est-à-dire qu'il faut introduire une fonction non linéaire k/vb dans la boucle de contrôle, ce qui, à nouveau, n'est pas souhaitable.That is to say that a non-linear function k / vb must be introduced into the control loop, which, again, is not desirable.

L'originalité du procédé est de chercher une alternative à la fonction k/Vb consistant à l'approcher avec un polynôme de premier ordre "a + b Vb", où a et b sont des constantes. Ce polynôme doit être simple et facile à synthétiser, de manière que l'erreur soit minimum dans l'intervalle des tensions de la batterie.

The originality of the process is to seek an alternative to the function k / Vb consisting in approaching it with a first order polynomial "a + b Vb", where a and b are constants. This polynomial must be simple and easy to synthesize, so that the error is minimum in the range of the battery voltages.

Pour identifier ces coefficients, la condition est d'égaliser la tension efficace au début et à la fin de la décharge, ce qui conduit à la fonction suivante de la valeur efficace

To identify these coefficients, the condition is to equalize the effective voltage at the beginning and at the end of the discharge, which leads to the following function of the effective value

A titre d'exemple, si l'on fixe quelques valeurs typiques, Vbmin = 3 V, Vbmax = 3,9 V, Vseffmin = 2,4 V, l'on obtient la fonction Vseff suivante

For example, if we set some typical values, Vbmin = 3 V, Vbmax = 3.9 V, Vseffmin = 2.4 V, we obtain the following Vseff function

dont la représentation graphique est montrée à la figure 3 où l'on peut voir que, pour une variation de la tension de la batterie entre 3 et 3,9 Volts, on obtient une variation maximale de Vseff de 0,02 V, ce qui constitue une très faible valeur. whose graphical representation is shown in Figure 3 where we can see that, for a variation of the battery voltage between 3 and 3.9 Volts, we obtain a maximum variation of Vseff of 0.02 V, which is a very low value.

Une démonstration de la justesse du procédé est constituée par la représentation de l'erreur d'approximation définie par le coefficient Vseffmax / Vseffmin en fonction du paramètre p = Vbmax / Vbmin (voir figure 4), d'où l'on déduit l'excellente précision de l'approximation pour la vérification habituelle de la tension d'une batterie, pile ou redresseur non contrôlés. A demonstration of the correctness of the process is constituted by the representation of the approximation error defined by the coefficient Vseffmax / Vseffmin as a function of the parameter p = Vbmax / Vbmin (see Figure 4), from which we deduce the excellent accuracy of the approximation for the usual verification of the voltage of an uncontrolled battery, cell or rectifier.

A titre d'exemple d'application pratique, à partir de la formule connue de la valeur efficace,

As an example of practical application, from the known formula of the effective value,

et en désignant
t/T =
il résulte que la valeur moyenne de la tension de sortie, Vs, est
Vsm = 6 * Vb c'est-à-dire

d'où l'on déduit que,

and by designating
t / T =
it follows that the average value of the output voltage, Vs, is
Vsm = 6 * Vb i.e.

from which we deduce that,

Vsm = a + b Vb,
ce qui conduit aux schémas fonctionnels des figures 5 et 6 où sont représentées deux réalisations équivalentes d'une boucle de contrôle et où apparaissent les constantes a et b, la première étant la tension de référence, à valeur constante.Vsm = a + b Vb,
which leads to the functional diagrams of FIGS. 5 and 6 where two equivalent embodiments of a control loop are represented and where the constants a and b appear, the first being the reference voltage, at constant value.

Sur la figure 5, la boucle de contrôle comprend deux additionneurs 1 et la, un contrôleur 2 et un amplificateur 3. La tension qui arrive au contrôleur 2 sera la tension de référence "a" plus le produit "b Vb", par l'intermédiaire de l'additionneur 1, moins la tension de sortie vs, par l'intermédiaire de l'additionneur la. In FIG. 5, the control loop comprises two adders 1 and 1a, a controller 2 and an amplifier 3. The voltage which arrives at controller 2 will be the reference voltage "a" plus the product "b Vb", by the through adder 1, minus the output voltage vs, through adder la.

Le schéma représenté sur la figure 6 est équivalent à celui de la figure 5, avec les additionneurs 1 et lb. The diagram shown in FIG. 6 is equivalent to that of FIG. 5, with the adders 1 and 1b.

Par ailleurs, ces schémas comportent les mêmes repères que pour la figure 1 pour désigner des composants équivalents. Furthermore, these diagrams include the same references as in Figure 1 to designate equivalent components.

Dans les réalisations décrites concernant les figures 5 et 6, la tension de sortie Vs pour la réalimentation peut être multipliée par une constante, afin de pouvoir sélectionner une valeur quelconque pour cette tension de sortie. In the embodiments described in FIGS. 5 and 6, the output voltage Vs for the make-up can be multiplied by a constant, in order to be able to select any value for this output voltage.

Sans prétendre limiter le domaine d'application de l'invention, et à titre d'exemple, la figure 7 représente un schéma de circuit d'application de l'idée décrite. Without claiming to limit the scope of the invention, and by way of example, FIG. 7 represents a diagram of the application circuit of the idea described.

Sur ce schéma, Vb est la tension continue variable de la batterie 4 ou source d'alimentation et R1 représente la résistance de la lampe incandescente 5 dont on cherche à maintenir constante la valeur efficace Vseff de la tension d'alimentation. In this diagram, Vb is the variable DC voltage of the battery 4 or power source and R1 represents the resistance of the incandescent lamp 5 which we seek to keep constant the effective value Vseff of the supply voltage.

La référence 6 désigne un générateur de tension de référence, de valeur constante "a", qui coïncide avec celui des figures 5 et 6. Reference 6 designates a reference voltage generator, of constant value "a", which coincides with that of FIGS. 5 and 6.

Le schéma représenté comprend des résistances R2...R8, un comparateur de Schmitt Aoi, des transistors Q1 et Q2 et un condensateur C1. The diagram shown includes resistors R2 ... R8, a Schmitt Aoi comparator, transistors Q1 and Q2 and a capacitor C1.

Le contrôleur est constitué du comparateur de Schmitt Aol et des résistances R7 et Rs, qui contrôlent l'hystérésis. The controller consists of the Schmitt Aol comparator and the resistors R7 and Rs, which control the hysteresis.

I1 comprend en outre, dans ce cas, le condensateur C1 qui filtre la tension du noeud 7, en générant la fonction PWM, l'ensemble définissant le convertisseur PWM. I1 further comprises, in this case, the capacitor C1 which filters the voltage of the node 7, by generating the PWM function, the assembly defining the PWM converter.

La tension entre les points 8 et 9 est approximativement égale à la tension de référence "a". La tension au noeud 7, qui est égale à la tension de référence, puisque Aol est un comparateur à gain très élevé, est obtenue comme combinaison linéaire de la tension de batterie Vb et de la tension de sortie Vs. La constante de multiplication de sortie est définie par les résistances R2 et R3 qui permettent d'adapter la tension requise par la lampe 5 aux valeurs habituelles des tensions de référence. The voltage between points 8 and 9 is approximately equal to the reference voltage "a". The voltage at node 7, which is equal to the reference voltage, since Aol is a very high gain comparator, is obtained as a linear combination of the battery voltage Vb and the output voltage Vs. The output multiplication constant is defined by the resistors R2 and R3 which make it possible to adapt the voltage required by the lamp 5 to the usual values of the reference voltages.

L'ensemble formé par les résistances R5 et R6 et les transistors Q1 et Q2 agit comme interrupteur de puissance pour le générateur de PWM. The assembly formed by the resistors R5 and R6 and the transistors Q1 and Q2 acts as a power switch for the PWM generator.

Le convertisseur PWM (figure 7) est constitué d'un comparateur Aol qui reçoit à l'entrée négative 8 une tension moyennée par la capacité C1, dont la valeur est l'addition des deux tensions, l'une étant proportionnelle à la tension d'alimentation continue Vb grâce au diviseur de tension
R4/R3, et l'autre est proportionnelle à la tension découpée appliquée aux bornes de la lampe 5 grâce au diviseur de tension R2/R3, l'entrée négative du comparateur Aol recevant un signal constitué de l'addition de la tension de référence 6 et d'une partie de la tension découpée appliquée aux bornes de la lampe 5 grâce au diviseur de tension R8/R7, la sortie du comparateur actionnant la tension appliquée aux bornes de la lampe 5 par l'interrupteur de puissance constitué par les résistances R5 et R6 et les transistors Q et Q2.The PWM converter (FIG. 7) consists of a comparator Aol which receives at the negative input 8 a voltage averaged by the capacitor C1, the value of which is the addition of the two voltages, one being proportional to the voltage d continuous supply Vb thanks to the voltage divider
R4 / R3, and the other is proportional to the cut-out voltage applied to the terminals of the lamp 5 thanks to the voltage divider R2 / R3, the negative input of the comparator Aol receiving a signal consisting of the addition of the reference voltage 6 and part of the cut-out voltage applied to the terminals of the lamp 5 by means of the voltage divider R8 / R7, the output of the comparator actuating the voltage applied to the terminals of the lamp 5 by the power switch constituted by the resistors R5 and R6 and the transistors Q and Q2.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Of course, the invention is not limited to the embodiments described above and shown, from which we can provide other modes and other embodiments, without departing from the scope of the invention .

Claims

1. Method for obtaining a constant effective voltage from a variable direct voltage, within a limited margin, applicable in particular to lighting by incandescent lamps powered by battery, batteries or network rectifiers, characterized in that the average voltage generated by a PWM converter cutting the supply voltage at fixed or variable frequency is regulated by a control loop whose setpoint voltage varies according to the supply voltage, in order to maintain the effective voltage practically constant across the receiver, this variable reference voltage being obtained by deducting from a fixed voltage (a) an equally fixed proportion (b) of the supply voltage (Vb) which is variable, within a limited margin.

2. Method according to claim 1, characterized in that the coefficients (a) and (b) are calculated on the basis of criteria for optimizing the error of the effective voltage with respect to the ideal voltage, such as the method least squares, prefixed values of the effective voltages on any two points of the variation margin of the supply voltage or others.

3. Method according to claim 1, characterized in that the PWM converter (Figure 7) consists of a comparator (Aol) which receives at the negative input (8) a voltage averaged by the capacitor C1, whose value is the addition of the two voltages, one being proportional to the continuous supply voltage Vb thanks to the voltage divider R4 / R3, and the other is proportional to the cut voltage applied to the terminals of the lamp (5) thanks to the voltage divider R2 / R3, the negative input of the comparator (Aol) receiving a signal consisting of the addition of the reference voltage (6) and part of the cut-out voltage applied to the terminals of the lamp (5) thanks to the voltage divider R8 / R7, the output of the comparator actuating the voltage applied to the terminals of the lamp (5) by the power switch constituted by the resistors R5 and R6 and the transistors Q1 and Q2.