IT9021805A1 - Convertitore cc-ca - Google Patents

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Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:
"CONVERTITORE CC-CA"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un convertitore CC-CA, cioè un dispositivo per la conversione di un generatore a corrente continua in un generatore a corrente alternata, in particolare del tipo avente un circuito di ingresso ed un circuito di uscita isolati galvanicamente fra loro.
L'oggetto dell'invenzione risulta utilizzabile in un gran numero di applicazioni, tra le quali si segnala quella come generatore di segnale di chiamata (ringing generator) per sistemi telefonici, come sistema di alimentazione di emergenza per elaboratori, o come stadio di pilotaggio per motore in corrente alternata.
Sono noti numerosi dispositivi per la conversione di una tensione continua, ad esempio fornita da una batteria, in una tensione alternata, preferibilmente di tipo sinusoidale. I dispositivi noti di questo genere presentano diversi inconvenienti, quali ad esempio un ingombro ed un peso considerevole, oppure una elevata distorsione di uscita.
In particolare sono noti convertitori di tipo CC-CA comprendenti uno stadio convertitore ad alta frequenza con isolamento galvanico comandato da una tensione sinusoidale modulata in durata PWM (Pulse Width Modulation) sinusoidale, che comprendono inoltre una rete di compensazione e un ponte intero a transistori. In tali convertitori il primo stadio non genera una tensione continua, ma una forma d'onda sinusoidale raddrizzata a doppia semionda. Il secondo stadio (ponte intero) effettua l'inversione e lavora a bassa frequenza così da avere rendimenti relativamente elevati, ma di fatto tale convertitore richiede due stadi ed in aggiunta una rete di compensazione .
Un altro noto convertitore CO CA prevede un ponte intero seguito da un trasformatore di bassa frequenza, ma i rendimenti conseguibili a partire da tensioni relativamente basse risultano modesti.
E' uno scopo della presente invenzione quello di realizzare un convertitore del tipo sopra indicato che sia privo degli inconvenienti sopra illustrati, ed in particolare sia di peso e volume ridotti, elevata efficienza, semplicità di costruzione.
Questi scopi vengono conseguiti mediante l'invenzione che consiste in un convertitore CC-CA idoneo a produrre una tensione di uscita alternata su un carico collegato tra due morsetti di uscita, il convertitore essendo alimentato con una tensione continua applicata tra due morsetti di ingresso, caratterizzato dal fatto di comprendere un circuito di ingresso ed un circuito di uscita galvanicamente isolati fra loro, il detto circuito di ingresso comprendendo:
- una prima induttanza e primi mezzi di commutazione bidirezionali collegati in serie a detti morsetti di ingresso;
una seconda induttanza e secondi mezzi di commutazione bidirezionali collegati in serie a detti morsetti di ingresso;
detto circuito di uscita comprendendo:
- una terza induttanza e terzi mezzi di commutazione bidirezionali ed una quarta induttanza e quarti mezzi di commutazione bidirezionali collegati in serie e tra i detti morsetti di uscita, e
- due condensatori collegati in serie tra loro in parallelo ai detti morsetti di uscita, il nodo comune di tali condensatori essendo collegato al nodo comune tra i detti terzi e quarti mezzi di commutazione;
e dal fatto che la detta prima e terza induttanza sono magneticamente accoppiate fra loro, e che la detta seconda e quarta induttanza sono magneticamente accoppiate fra loro,
detto convertitore comprendendo inoltre mezzi per generare segnali di controllo impulsivi aventi frequenza di ripetizione costante e durata variabile in modo sinusoidale.
Ulteriori caratteristiche vantaggiose formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
Il convertitore secondo l'invenzione trova applicazione, preferibilmente ma non limitativamente, per potenze inferiori a 1 kVA.
L'invenzione verrà ora descritta più dettagliatamente con riferimento a forme realizzative preferite ma non limitative, illustrate nei disegni allegati in cui:
la figura 1 mostra uno schema a blocchi di massima di un convertitore CC-CA secondo l'invenzione;
la figura 2 mostra schematicamente il circuito di pilotaggio;
la figura 3 illustra i segnali di pilotaggio dei transistori Ql e Q3;
la figura 4 illustra i segnali di pilotaggio dei transistori.Q2 e Q4;
le figure 5A e 5B illustrano una variante dei segnali di pilotaggio; e
la figura 6 illustra l'applicazione del convertitore secondo l'invenzione ad un generatore di segnale di chiamata.
Come illustrato nello schema di massima di figura 1, il dispositivo convertitore secondo l'invenzione comprende due morsetti di entrata A, B, alimentati con una tensione Vg, e due morsetti di uscita C, D, che alimentano un carico RL, le cui caratteristiche verranno illustrate nel seguito.
La tensione Vg costituisce il generatore in corrente continua (CC) che alimenta il convertitore e tale fonte di energia può essere ad esempio costituita da una batteria.
Il dispositivo comprende un circuito di ingresso ed un circuito di uscita isolati galvanicamente fra di loro, che verranno descritti qui di seguito.
Il circuito di ingresso comprende due rami collegati in parallelo ai morsetti A, B, ciascuno formato da una induttanza e da un elemento di commutazione bidirezionale, rappresentato schematicamente mediante un transistore con un corrispondente diodo collegato in parallelo tra i terminali di collettore ed emettitore. Più precisamente, il circuito di ingresso comprende una prima induttanza LIA in serie ad un transistore Q1 con diodo DI, mentre il secondo ramo comprende una seconda induttanza L2A in serie ad un secondo transistore Q2 con diodo D2 in parallelo.
Il circuito di uscita ha una struttura parzialmente analoga prevedendo tuttavia una disposizione in serie formata da una terza induttanza L1B, da un terzo transistore Q3 (con diodo associato D3), da uh quarto transistore Q4 (con diodo associato D4), e da una quarta induttanza L2B. Tale disposizione serie è collegata in parallelo ai morsetti di uscita C, D. Inoltre, in parallelo a tali morsetti sono previsti due condensatori CI e C2, collegati in serie fra loro ed aventi il nodo comune Z collegato al nodo comune formato dai transistori Q3 e Q4.
Come visibile in figura 1, le induttanze LIA ed L1B sono magneticamente accoppiate, ad esempio mediante avvolgimento su un supporto magnetico comune, in genere ferrite, e le induttanze L2A ed L2B sono pure magneticamente accoppiate mediante avvolgimento su un ulteriore supporto magnetico comune, anch'esso generalmente di ferrite. La chiusura del transistore Ql, o del transistore Q2, consente la circolazione di una corrente fornita dalla sorgente Vg nell'induttanza LIA, rispettivamente L2A, che accumula energia sotto forma magnetica. Tale energia viene poi trasferita al carico RL attraverso i due rami del circuito di uscita.
Lo schema descritto può essere considerato come formato da quattro convertitori del tipo noto come "flyback" PWM che di fatto consentono la realizzazione di un convertitore a quattro quadranti.
Sempre con riferimento alla figura 1, i quattro convertitori elementari sono individuati dai seguenti componenti :
I rami 1) e 3) servono per la costruzione della semionda positiva sul carico R, mentre i rami 2) e 4) servono alla costruzione della semionda negativa.
I quattro transistori o, più in generale dispositivi attivi di commutazione bidirezionale, indicati con Ql, Q2, Q3 e Q4 vengono pilotati mediante segnali di tipo impulsivo, in modo che ciascuno di essi possa assumere due stati di funzionamento, e più precisamente uno stato aperto ed uno stato chiuso.
Nello stato aperto l'elemento di commutazione presenta una impedenza elevatissima, che non consente il passaggio di corrente attraverso i suoi terminali, tipicamente il transistore risulta in interdizione e non circola corrente tra collettore ed emettitore.
Nella condizione chiusa, l'elemento di commutazione presenta una impedenza molto bassa che consente il passaggio della corrente attraverso i suoi terminali, tipicamente nel caso di un transistore quest'ultimo si trova in saturazione.
Nel funzionamento, con riferimento in particolare alla semionda positiva, la chiusura del transistore Ql consente la circolazione di una corrente fornita dalla sorgente Vg nell'induttanza LIA che accumula energia sotto forma magnetica.
L'impulso di tensione che si manifesta sull'induttanza L1B all'apertura del transistore Ql viene raddrizzato dal diodo D3. Si ottiene così una tensione crescente applicata al carico RL, di modo da ricostruire sul carico stesso la semionda positiva.
Il condensatore CI assolve la duplice funzione di filtro per le componenti ad alta frequenza (frequenza di commutazione) , e di accumulo di energia. Durante il funzionamento a regime, ai sui capi è presente una tensione, riferita al punto comune Z dei due condensatori CI e C2, composta da una componente continua e da una componente alternata. La componente alternata viene erogata sul carico RL per ricostruire la semionda positiva della sinusoide, mentre la componente continua rimane invece normalmente immagazzinata nella capacità e viene utilizzata per il recupero di energia necessario durante il funzionamento su carico reattivo.
Nel funzionamento con carico reattivo avviene la chiusura di Q3 così da poter immagazzinare energia sull'elemento magnetico L1B a spese dell'energia immagazzinata sul condensatore Cl.
All'apertura di Q3, il diodo Di permette il recupero dell'eccesso di energia sul carico reattivo che viene ceduto alla batteria Vg sotto forma di corrente continua.
I componenti dei rami 2) e 4) svolgono funzioni identiche a quelle sopra illustrate, ma relativamente alla costruzione della semionda negativa, e pertanto non verranno ulteriormente descritte.
Con riferimento in particolare alle figure 2, 3 e 4, vengono ora illustrati i segnali impulsivi di comando e la loro costruzione. Più precisamente, il circuito di figura 2 genera impulsi di comando che vengono inviati ai quattro interruttori Q1-Q4.
Tali impulsi hanno una frequenza di ripetizione costante o fissa in tutte le condizioni di funzionamento, definita come frequenza di conversione. Risulta invece variabile la durata, ovvero l'istante di transizione tra uno stato e il successivo, e tale durata variabile è denominata duty cycle. Agli impulsi può essere associato uno stato logico "0", oppure uno stato logico "1" di modo che è possibile utilizzare l'algebra di Boole per descrivere agevolmente le relazioni tra di esse. Nel seguito verrà utilizzato come riferimento l'impulso di comando di Ql, indicando con D il tempo (di ciclo) per cui esso rimane a livello logico "1". Pertanto, D è minore dell'unità e (1-D) indica che l'impulso di comando sul transistore Ql è a livello logico "O".
Il transistore Ql viene quindi pilotato dal segnale D, mentre il transistore Q2 viene pilotato con un segnale ricavato da un segnale modulante sfasato di 180°. Analogamente il transistore Q3 viene pilotato con un segnale invertito rispetto al segnale di pilotaggio di Ql, e Q4 viene pilotato con un segnale invertito rispetto al segnale di pilotaggio di Q2. Questi segnali sono indicati rispettivamente con D, D, D* e D*.
Gli impulsi di modulazione D illustrati in figura 3 vengono ottenuti mediante comparazione tra un segnale di tensione VI detto modulante ed un segnale di forma triangolare R detto portante, quest'ultimo avente una frequenza molto più elevata di quella del primo segnale. Come mostrato in figura 2, il segnale modulante VI viene ottenuto dalla differenza, in un amplificatore di errore Al, tra un segnale di riferimento Vr e la tensione in uscita V dal ponte di conversione. Tali tensioni vengono prelevate attraverso le resistenze RI ed R2, e l'uscita dell'amplificatore operazionale Al è collegata all'ingresso invertente attraverso un circuito di compensazione CM
In particolare, i segnali di pilotaggio di Q1 e Q3 sono ottenuti portando in ingresso ad un primo comparatore CPl la sinusoide VI e la rampa R. In uscita dal comparatore CP1 si hanno allora gli impulsi per il pilotaggio di Ql. Tramite un invertitore INI vengono ottenuti gli impulsi di pilotaggio D per il transistore Q3.
I segnali di pilotaggio per Q2 e Q4 si ottengono confrontando un segnale V2 (ottenuto da VI attraverso uno sfasatore SF di 180") con la rampa R in un secondo comparatore CP2. L'uscita del comparatore CP2 alimenta direttamente il transistore Q2, mentre il transistore Q4 viene alimentato attraverso un invertitore IN2. Gli impulsi di pilotaggio per Q2 e la loro costruzione sono illustrati in figura 4, mentre i segnali di pilotaggio per Q4 non sono stati rappresentati in quanto facilmente ricavabili dai precedenti .
Secondo una variante realizzativa illustrata nelle figure 5A e 5B, il rendimento di conversione può essere aumentato utilizzando segnali di pilotaggio ottenuti sommando alla rampa R un livello di tensione continua positivo (C). In questo modo i transistori vengono spenti automaticamente con un angolo del segnale modulante dipendente dal livello in continua (C), sommato alla rampa. I relativi segnali di pilotaggio per Ql (e per Q3 dopo inversione) sono illustrati in figura 5A, mentre quelli per Q2 (e dopo inversione per Q4) sono illustrati in figura 5B.
Con riferimento alla figura 6 verrà ora illustrata una applicazione del convertitore CC/CA secondo l'invenzione in un generatore di tono (o di segnale di chiamata) per impiego in telefonia.
Il nucleo del dispositivo è costituito da un convertitore del tipo illustrato nelle figure 1 e 2, comprendente un ponte di conversione PC, alimentato da una batteria Vg, e che a sua volta alimenta un carico RL costituito in questo caso da un campanello o altro idoneo segnalatore acustico.
Il ponte PC è controllato dai segnali impulsivi D, D, D* e D* per i quattro transistori o interruttori Ql, Q2, Q3, Q4 che vengono generati da un blocco comparatori CP ed uno sfasatore SF di 180°. Dei circuiti di pilotaggio o driver DV sono previsti per fornire la necessaria potenza di pilotaggio.
Il dispositivo comprende inoltre un generatore di sinusoide di riferimento GS in grado di fornire un segnale sinusoidale VI di ampiezza stabile nel tempo e con la temperatura, la cui uscita è collegata ad un circuito amplificatore di errore AE. Il segnale a rampa R viene fornito dal circuito GT generatore di onda triangolare, che riceve inoltre la tensione della batteria Vg allo scopo di creare una tensione triangolare agganciata a quella della batteria.
Al circuito AE viene riportato, attraverso un componente di isolamento IS, il segnale di uscita prodotto dal ponte di conversione. Il componente IS può essere ad esempio un trasformatore di isolamento, di dimensioni modeste in guanto non serve a trasferire potenza, ma solo delle informazioni, in particolare la forma d'onda in uscita dal ponte di conversione PC. In alternativa il componente IS può essere implementato mediante un optoisolatore .
Il blocco AE determina la differenza tra il segnale di riferimento ed il segnale in uscita dal ponte di conversione per controllare l'ampiezza e la distorsione della sinusoide in uscita attraverso il circuito di retroazione negativa. Il blocco AE incorpora inoltre, preferibilmente, i circuiti e gli elementi di compensazione necessari per assicurare la stabilità dell'intero sistema.
Contrariamente alla tecnica nota anteriore, il convertitore secondo l'invenzione impiega un unico stadio di conversione per realizzare la desiderata inversione, e mantiene rendimenti elevati senza ricorrere all'impiego di un trasformatore di bassa frequenza per conseguire l'solamento tra ingresso e uscita. Infatti, il convertitore secondo l'invenzione prevede intrinsecamente l'isolamento galvanico e non è quindi necessario introdurre un trasformatore di isolamento nè ad alta frequenza nè a bassa frequenza.
Grazie al fatto di non prevedere componenti che lavorano in bassa frequenza, il convertitore presenta un peso ed un volume estremamente ridotti, una elevata efficienza, ed inoltre la frequenza e la tensione di uscita sono regolabili con continuità ed entro un esteso intervallo, a parità di potenza di uscita.
Poiché sul carico è necessario ottenere una inversione di tensione, è previsto che il duty cycle D vari con legge sinusoidale attorno ad un valore statico pari a 0,5 in corrispondenza di un segnale modulante nullo, cioè:
D = 0,5 A sen wt = 0,5 δ
dove A < 0,5 e w è la pulsazione del segnale modulante. Nell'ipotesi che A sia relativamente piccolo, si può approssimare la tensione di uscita come V = 8 Vg.i
Si vede quindi che variando il duty cycle & con legge sinusoidale, anche l'uscita risulta sinusoidale, a meno di armoniche di ordine dispari, imputabili sostanzialmente alla non linearità della caratteristica statica del convertitore .
Utilizzando una reazione negativa è possibile ottenere una sostanziale riduzione (di almeno un ordine di grandezza) , della distorsione così da avere una distorsione armonica totale completamente accettabile per un generatore di tono. La distorsione aumenta al crescere dell'ampiezza del segnale modulante, da cui dipende l'effettiva tensione di uscita, tuttavia ciò non costituisce un limite apprezzabile per il funzionamento del circuito, essendo possibile lavorare con un rapporto spire dei due induttori in salita in modo da aumentare la tensione di uscita del convertitore senza dover aumentare la profondità di modulazione, e quindi in ultima analisi senza dover incrementare il livello del segnale modulante da cui dipende la distorsione. E' così possibile ottenere in pratica un aumento della tensione di uscita senza un aumento di distorsione.

Claims (11)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Convertitore CC-CA idoneo a produrre una tensione di uscita alternata su un carico (RL) collegato tra due morsetti di uscita (C, D), il convertitore essendo alimentato con una tensione continua (Vg) applicata tra due morsetti di ingresso (A, B), caratterizzato dal fatto di comprendere un circuito di ingresso ed un circuito di uscita galvanicamente isolati fra loro, il detto circuito di ingresso comprendendo: - una prima induttanza (LIA) e primi mezzi di commutazione bidirezionali (Ql) collegati in serie a detti morsetti di ingresso (A, B); - una seconda induttanza (L2A) e secondi mezzi di commutazione bidirezionali (Q2) collegati in serie a detti morsetti di ingresso (A, B); detto circuito di uscita comprendendo: una terza induttanza (L1B) e terzi mezzi di commutazione bidirezionali (Q3) ed una quarta induttanza (L2B) e quarti mezzi di commutazione bidirezionali (Q4) collegati in serie e tra i detti morsetti di uscita (C, D), e - due condensatori (Cl, C2) collegati in serie tra loro in parallelo ai detti morsetti di uscita (C, D), il nodo comune (Z) di tali condensatori (Cl, C2) essendo collegato al nodo comune tra i detti terzi e quarti mezzi di commutazione (Q3, Q4); e dal fatto che la detta prima e terza induttanza (LIA, L1B) sono magneticamente accoppiate fra loro, e che la detta seconda e quarta induttanza (L2A, L2B) sono magneticamente accoppiate fra loro, detto comvertitore comprendendo inoltre mezzi per generare segnali di controllo impulsivi aventi frequenza di ripetizione costante e durata variabile in modo sinusoidale.
  2. 2. Convertitore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi di commutazione bidirezionale sono costituiti da transistori (Q1-Q4) controllati sull'elettrodo di base dai detti segnali impulsivi.
  3. 3. Convertitore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i detti segnali di controllo applicati ai primi e terzi mezzi di commutazione (Ql, Q3) sono fra loro negati.
  4. 4. Convertitore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che i segnali di controllo applicati ai detti secondi e quarti mezzi di commutazione (Q2, Q4) sono fra loro negati.
  5. 5. Convertitore secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi per generare i segnali di controllo impulsivi per i primi e terzi mezzi di commutazione comprendono un primo comparatore (CP1) alimentato su un ingresso da un segnale modulante (VI) e sull'altro ingresso da un segnale a rampa (R) avente frequenza molto maggiore di quella del segnale modulante (VI), ed un primo invertitore (INI) collegato all'uscita del detto primo comparatore (CP1).
  6. 6. Convertitore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi per generare i segnali di controllo impulsivi per i secondi e quarti mezzi di commutazione comprendono un secondo comparatore (CP2) alimentato su un ingresso dal detto segnale modulante (VI) sfasato di 180°, e sull'altro ingresso dal detto segnale a rampa (R) avente frequenza molto maggiore di quella del segnale modulante, ed un secondo invertitore (IN2) collegato all'uscita del detto secondo comparatore (CP2).
  7. 7. Convertitore secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che al detto segnale a rampa (R) è sovrapposta una componente continua costante (C).
  8. 8. Generatore di segnale di chiamata per sistemi di telecomunicazione incorporante un convertitore secondo le rivendicazioni da 2 a 7, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente un generatore stabilizzato di sinusoide di riferimento (GS), la cui uscita è collegata ad un circuito amplificatore di errore (AE), quest'ultimo ricevendo inoltre il segnale di uscita presente sul carico attraverso un componente di isolamento (IS).
  9. 9. Generatore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il detto componente isolatore (IS) è un trasformatore di isolamento di piccole dimensioni.
  10. 10. Generatore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il detto componente isolatore (IS) è un optoisolatore.
  11. 11. Generatore secondo la rivendicazione 9 o 10, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente un circuito generatore di onda triangolare (GT) che produce una tensione a rampa, con una tensione continua (C) sovrapposta, agganciata a quella della batteria.
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