NL9400580A - Vermogenstoevoersysteem met een hoge vermogensfactor. - Google Patents

Description

Titel: Vermogenstoevoersysteem met een hoge vermogensfactor.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op eenvermogenstoevoersysteem met een hoge vermogensfactor. Meer inhet bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een resonanteomzetter die in staat is om een stabiele uitgangscontrole uitte voeren en een ingangsvermogensfactor te verbeteren bijgrote fluctuaties in ingangsspanningen en belastingen.

In het algemeen wordt, voor het toevoeren van eenwisselstroomvermogen van een voorafbepaald niveau aan eenbelasting, gebruik gemaakt van een AC/DC-omzetter die eenwisselstroomsignaal omzet in een gelijkstroomsignaal. Daarbijwordt de wisselstroom eerst toegevoerd aan een twee-fasigegelijkrichter, waarvan het uitgangssignaal wordt toegevoerdaan de ingang van een gelijkspanningsomzetter, met welkeingang tevens een afvlakcondensator is verbonden. Bij eendergelijke configuratie kunnen er zich verschillen voordoentussen de fasen van de ingangsstroom en de ingangsspanning.Een dergelijk verschil wordt veroorzaakt door de genoemdeafvlakcondensator, en vermindert de vermogensfactor.

De onderhavige uitvinding beoogt de conventioneleproblemen op te lossen.

Meer in het bijzonder is het een doel van de onderhavigeuitvinding om een vermogenstoevoersysteem met een hogevermogensfactor en een hoge efficiëntie te verschaffen, datklein is in grootte en licht is in gewicht, door de ingangs¬vermogens factor gelijk te laten zijn aan 1 en door eenresonante omzetter te besturen, tegelijkertijd met hetminimaliseren van de hoogfrequentbijdrage van een ingangs-wisselstroom.

Volgens een eerste aspect van de onderhavige uitvindingworden de bovenstaande doelstellingen bereikt door de inconclusie 1 beschreven maatregelen.

Volgens een tweede aspect van de onderhavige uitvindingworden de bovenstaande doelstellingen bereikt door de inconclusie 4 beschreven maatregelen.

Volgens een derde aspect van de onderhavige uitvindingworden de bovenstaande doelstellingen bereikt door de inconlcusie 7 beschreven maatregelen.

Nadere aspecten, kenmerken en voordelen van de onder¬havige uitvinding zullen worden verklaard door de hierna¬volgende beschrijving van voorkeursuitvoeringsvormen onderverwijzing naar de tekening, waarin: fig. IA een conventionele gelijkrichtketen is van hetcondensor-ingangstype; fig. 1B een grafiek is die de golfvormen toont van deingangsspanning en de ingangsstroom van de in fig. IAweergegeven keten; fig. 2A een ketendiagram is van een conventioneleomzetketen van het "boosting"-type; fig. 2B een grafiek is die de golfvormen toont van eeningangsspanning en stroom van de in fig. 2A weergegeven keten; fig. 3 een ketendiagram is van een vermogenstoevoer-systeem volgens de onderhavige uitvinding; de fig. 4A t/m 4D grafieken zijn die de golfvormen tonenvan bepaalde onderdelen van de in fig. 3 weergegeven keten; fig. 5 een poortketendiagram is van het frequentiedeler-gedeelte van de in fig. 3 weergegeven keten; de fig. 6A t/m 6G grafieken zijn die de golfvormen tonenvan verschillende signalen van de in fig. 5 weergegeven keten; fig. 7 een poortaandrijfketendiagram is van hetfrequentiedeler-gedeelte van fig. 3; de fig. 8A t/m 8H grafieken zijn die de golfvormen tonenvan verschillende signalen in de keten van fig. 7; de fig. 9A t/m 9G grafieken zijn die de golfvormen tonenvan verschillende signalen in de keten van fig. 3; de fig. 10A t/m IOC ketendiagrammen zijn die de werkingvan de in fig. 3 weergegeven keten illustreren; fig. 11 een grafiek is die de karakteristieken toont vaneen resonant ketengedeelte van de in fig. 3 weergegeven keten;en de fig. 12 en 13 voorkeursuitvoeringsvormen zijn van deonderhavige uitvinding.

In fig. IA is een voorbeeld getoond van een wisselstroomnaar gelijkstroomomzetter (AC/DC-omzetter) zoals dezeconventioneel wordt gebruikt voor het toevoeren van eenwisselstroomvermogen van een voorafbepaald niveau aan eenbelasting. Het wisselstroomvermogen Vs wordt toegevoerd aan debelasting RL nadat het wisselstroomvermogen is gelijkgerichtdoor een twee-fasige gelijkrichtketen, een met de twee-fasigegelijkrichtketen verbonden afvlakcondensator C, en eengelijkstroom naar gelijkstroomomzetter (DC/DC-omzetter),teneinde een gelijkstroomvermogen toe te voeren aan debelasting RL. In fig. 1B is weergegeven, dat de faserelatievan ingangsstroom i en spanning Vs verschillen vertoont doorde in fig. IA getoonde ketenverbinding. Een dergelijk verschilis het resultaat van de invloed van de condensator C, die devermogensfactor verslechtert. De vermogensfactor kan wordenuitgedrukt door de volgende vergelijking:

waarin W het opgenomen vermogen is, en V and A de virtuelewaarden zijn van spanning en stroom van de wisselstroom aan deingangszijde. Spanning en stroom dienen qua fasehoek φ aanelkaar gelijk te zijn.

De fig. 2A en 2B tonen een door de onderhavige uitvindervoorgestelde keten voor een vermogenstoevoersysteem met eenverbeterde vermogensfactor. Duidelijk blijkt uit fig. 2B, datde vermogensfactor aanzienlijk is verbeterd.

Deze keten met verbeterde vermogensfactor is vergelijk¬baar met de in fig. IA weergegeven keten, maar is voorzien vaneen schakelorgaan Q dat aan of af wordt geschakeld op eengeschikt tijdstip zodat een stroomsignaal van een spoel L dieeen gelijkgerichte golfvorm overdraagt, op juiste wijze wordtovergedragen.

Voor het aan- of afschakelen van het schakelorgaan Q iseen besturingsketen aanwezig omvattende een comparator WC, dieeen het ingangsvermogen Vs representerend signaal vergelijkt met een signaal dat representatief is voor een signaal dat ineen tweede spoel optreedt doordat het ingangsvermogen Vspasseert door een omzetter Tl. Een uitgangssignaal van decomparator WC wordt versterkt door een stroomversterker IE omeen schakelbesturingssignaal op te wekken.

De onder verwijzing naar de fig. IA en 1B beschrevenketen is een gelijkrichtketen van het condensatoringang-type,en de onder verwijzing naar de fig. 2A en 2B beschreven ketenis een omzetter van het "boostingn-type.

Thans zal de keten van fig. 2A meer gedetailleerd wordenbeschreven. Volgens één aspect van de werking neemt de stroomtoe tot een voorafbepaald stroommaximum in een blok waarin eenblokkeerdiode D wordt afgeschakeld, en volgens een anderaspect van de werking daalt de stroom tot een stroomminimum ineen blok waarin het schakelorgaan Q wordt afgeschakeld en deblokkeerdiode D wordt aangeschakeld. De ingangsstroom i isbeperkt tot een voorafbepaalde breedte, en de virtuele waardevan de stroom wordt bestuurd om de vermogensfactor teverbeteren.

In principe maakt de onder verwijzing naar de fig. 2A en2B besproken techniek gebruik van het principe van eenomzetter van het "boosting,,-type. Aangezien dit systeemgecompliceerd is en de getransformeerde stroom groot is, ishet gewicht daarvan groot, en de betrouwbaarheid is verminderdvanwege slechte schakelkarakteristieken. Voorts blijktduidelijk uit fig. 2B, dat deze conventionele keten het nadeelheeft van een dode hoek en een dode tijd met betrekking tot destroom.

In fig. 3 is een gedetailleerd ketendiagram getoond vani een eerste voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavigeuitvinding. De keten volgens de onderhavige uitvinding isweergegeven als zijnde geschakeld tussen een wisselspannings-vermogensbron 1 en een belasting Ro die een gelijkspannings-vermogen vereist. Daarbij is in fig. 3 het systeem weergegeveni als zijnde opgebouwd in blokeenheden. In de tekeningen zijngedetailleerde ketens getoond die de functie van de respec¬tieve blokken vervullen, maar deze ketens zijn slechts bedoeld als de voorkeur genietende voorbeelden, en verschillendemodificaties in het verschaffen van de functies van de blokkenzijn mogelijk.

Zoals getoond in fig. 3 wordt het wisselstroomingangs-vermogen 1 twee-fasig gelijkgericht door een twee-fasegelijk-richtgedeelte 3 dat in de weergegeven uitvoeringsvorm isgevormd door diodes Da tot Dd, via een zekering 2 voor hetblokkeren van de overdracht van over-spanning. Het door hetgelijkrichtgedeelte 3 gelijkgerichte spanningssignaal wordtgedetecteerd door een detectiegedeelte 4 dat parallel isverbonden aan een condensator Cl, en wordt verwerkt door eenbesturingsorgaan 5 volgens de onderhavige uitvinding.

Wanneer het wisselstroomingangsvermogen Vin twee-fasigwordt gelijkgericht door de diodes Da t/m Dd van het twee-fasig gelijkrichtgedeelte 3, wordt door de condensator Cl eengeringe offsetspanning geproduceerd. De spanningsval over decondensator Cl wordt gedeeld door de weerstanden Rmi en Rm2 diehet detecteergedeelte 4 vormen, en het gedeelde signaal wordtals referentiespanning aangelegd aan een positieve ingangs-aansluiting (+) van een eerste comparator 51. Wanneer hetwisselstroomingangsvermogen Vin vermogen is met een frequentievan 60 Hz, mag de referentiespanning niet gelijk worden aannul bij de met een frequentie van 120 Hz optredende minima.

Wanneer de condensator Cl niet aanwezig zou zijn, zou meteen frequentie 120 Hz geen uitgangssignaal worden geproduceerddoor de eerste comparator 51, hetgeen zou kunnen veroorzakendat het hele systeem-onstabiel zou werken. Dit is de reden datde condensator Cl aanwezig moet zijn.

Het besturingsorgaan 5 verschaft uitgangssignalen waarvande golfvormen getoond zijn in de fig. 6F en 6G, aan deschakelbesturingsketen 551 in fig. 7 teneinde de golfvormenaan te bieden aan een hoogfrequent schakelgedeelte 6.

Tussen het detecteergedeelte 4 en het schakelgedeelte 6is een spoel LI verbonden. In deze spoel vloeiende stroomvloeit, zoals getoond in fig. 4A, in overeenstemming met deschakelconditie van het hoogfrequent schakelgedeelte 6. Als deschakelinrichtingen SI, S2 van het schakelgedeelte 6 een schakelactie uitvoeren in overeenstemming met een signaal vande besturingsinrichting 5, is de golfvorm van de in deinductor LI vloeiende stroom getoond in fig. 4A.

Als het schakelorgaan SI of S2 is ingeschakeld, stijgt dein de inductor LI vloeiende stroom lineair, en begint dan afte nemen in een blok waar de schakelorganen SI, S2 alle zijnuitgeschakeld.

De besturingsinrichting 5 is werkzaam om de schakel¬organen aan te schakelen voordat de stroom van de inductor LInul wordt, en de stroom in de inductor LI neemt weer toe. Dedoor deze schakeltechniek resulterende golfvorm van de in deinductor LI vloeiende stroom is getoond in fig. 4A. Bijgevolgzijn de fase van de ingangsspanning en de fase van deingangsstroom aan elkaar gelijk, en is de vermogensfactordaarvan gelijk aan 1.

De besturingsinrichting die de bovenbeschreven werkingondersteunt, gebruikt het signaal van het detecteergedeelte 4,en eveneens twee andere gedetecteerde signalen. Een resonantketengedeelte 7 dat is verbonden met het hoogfrequentschakelgedeelte 6, omvat een resonante spoel Lr en eenresonante condensator Cr, die in serie met elkaar zijnverbonden.

De besturingsinrichting 5 genereert een uiteindelijkschakelbesturingssignaal om dit te verschaffen aan hethoogfrequent schakelgedeelte 6 op basis van een signaal datafkomstig is van het detecteergedeelte 4, een signaal dat viaeen door weerstanden. R18, R20 gevormde spanningsdeler 9afkomstig is van de resonante inductor Lr, en een alsvariabele aan de besturingsinrichting 5 teruggevoerd signaali dat representatief is voor de spanning over de belasting Roteneinde rekening te houden met fluctuaties in de belasting Roen met fluctuaties in de ingangswisselspanning Vin.

Signalen die aan het besturingsorgaan worden toegevoerdvanuit het detecteergedeelte 4 en de spanningsdeler 9 worden• respectievelijk aangeboden aan de eerste comparator 51 en detweede comparator 52, terwijl een signaal dat een gedeelte isvan de aan de belasting Rq aangeboden spanning, wordt terug¬ gevoerd en aangeboden aan een fase-omkeerorgaan 53. Hetbesturingsorgaan 5 omvat eerste en tweede comparatoren 51, 52en een ander aan de eerste comparator 51 aangebodenvergelijkingssignaal is een uitgangssignaal van een spannings-gestuurde oscillator 54. Een ander aan de tweede comparator 52aangeboden vergelijkingssignaal is een voorafbepaalde referen-tiespanning Vref. De uitgangssignalen van de eerste en tweedecomparatoren 51, 52 worden aangeboden aan een frequentiedeler55 die gevormd is van logische poortorganen, en de frequentie¬deler 55 genereert een schakelbesturingssignaal, dat wordtdoorgegeven aan het hoogfrequent schakelgedeelte 6.

De spanning die de spanningsgestuurde oscillator VCO 54bestuurt, is een uitgangssignaal van een foutversterker 56 dieeen foutsignaal tussen een uitgangssignaal van de fase-omkeer-inrichting 53 en de referentiespanning Vref versterkt. Debeschrijving hiervan volgt later. De VCO 54 omvat een ketenvoor het maken van een zaagtandgolf die de schakelinrichtingenSI, S2 van het hoogfrequent schakelgedeelte 6 aandrijft,alsmede een keten voor het uitvoeren van een zachte start. Met"zachte start" wordt in dit verband bedoeld, dat de werkingstart met een schakelfrequentie die in een aanloopstadiumenkele malen groter is dan de schakelfrequentie in de normaletoestand. Aangezien te weinig vermogen wordt overgedragen aande belasting Ro, kan de onstabiele werking van het gehelesysteem in het aanloopstadium worden voorkomen als de schakel¬frequentie enkele malen groter is dan een natuurlijkeresonantiefrequentie. Wo. In het bijzonder wanneer eenontladingslamp zoals een fluorescentielamp als belasting wordtgebruikt, kan een dergelijke techniek de levensduur van eenlamp verlengen. In de VCO 54 is de diode D2 aanwezig tussen deketen voor het verzorgen van een zachte start en de keten voorhet maken van de zaagtandgolf.

In het hiernavolgende zal de werking van de zachte-startketen worden beschreven. Wanneer het besturingsorgaanbegint te werken, wordt via de diode Dl de condensator C6opgeladen met een constante en stabiele stroom die wordtopgewekt in een constante stroombron die wordt gevormd door de keten rond de transistoren Q1 en Q2. Bijgevolg stijgt despanning over de condensator C6 met een regelmatige helling.

De spanningsstijging van de condensator C6 gaat door totdat deaan-toestand van de diode D2 ophoudt. Een transistor Q9 wordteerst aangeschakeld door de spanningstoename van decondensator C6, en als de transistor Q3 aan wordt geschakeldnadat de drempelspanning (ongeveer 0,7 volt) van de diode Dlzakt, zijn de potentialen aan weerszijden van de diode D2 aanelkaar gelijk zodat de aan-toestand van de diode D2 stopt.

In de zachte-startketen wordt de capaciteitswaarde van decondensator C6 die de zachte-starttijd bepaalt, uitgedruktdoor de volgende vergelijking:

waarbij Vth een referentiespanning is van de internecomparator van LM555,

Ic de naar C6 vloeiende stroom is, uitgedrukt in μΑ,

Tst de zachte-starttijd is, uitgedrukt in με.

In het hiernavolgende zal de keten die een zaagtandgolfgenereert, worden beschreven.

Wanneer in de condensator C2 een constante stroom vloeit,afkomstig uit de door de transistoren Q6 en Q7 gevormdestroombron, stijgt de spanning van de condensator C2 met eenregelmatige helling. Als de spanning van de condensator C2overeenkomt met de referentiespanning van de internecomparator van de LM555 geïntegreerde keten, zal een internetransistor van deze geïntegreerde keten LM555 de condensatorC2 in zeer korte tijd ontladen.

Als de condensator C2 ontladen is, zal de stroom dieafkomstig is van de door de transistoren Q6 en Q7 gevormdestroombron, de condensator C2 opladen. Als daarentegen despanning van C2 overeenkomt met de referentiespanning van deinterne comparator van de LM555, wordt de condensator C2 snelontladen, waardoor een zaagtandgolf wordt gegenereerd. Fig. 4B

illustreert een golfvorm van de spanning van de condensatorC2. De golfvorm van de spanning van de condensator C2 wordtaangeboden aan een negatieve ingangsaansluiting (-) van deeerste comparator 51.

In dit geval wordt de capaciteitswaarde van de conden¬sator C2 die de zaagtandfrequentie bepaalt, gegeven door devolgende vergelijking:

waarbij Ic de naar de condensator C2 vloeiende stroom is,uitgedrukt in μΑ,

Vth de referentiespanning van de comparator is, uitgedruktin volt, fs de frequentie van de zaagtandgolf is, uitgedrukt in kHz.

Het wisselstroomingangsvermogen is een wisselstroom van60 Hz en 110 volt of 220 volt, en spanning en stroom hebbengelijke fasen, zodat de spanningsfactor gelijk is aan 1. Ditsignaal wordt twee-fasig gelijkgericht door de twee-fasigegelijkrichtketen 3, en een door de weerstanden Rmi, van hetdetecteergedeelte 4 gedetecteerd signaal wordt toegevoerd naar ,de besturingsketen 5. Dit gedetecteerde signaal wordtaangelegd aan een positieve ingangsaansluiting (+) van eenoperationele versterker van de eerste comparator 51, en wordtvergeleken met een uitgangssignaal van de VCO 54, zoalsgetoond in fig. 4C. De eerste comparator 51 geeft, alsresultaat van die vergelijking, een uitgangssignaal met eenhoog niveau of een laag niveau, zoals getoond in fig. 4D, datgebruikt kan worden in een logische keten.

Met betrekking tot de spanningsval van de condensator Clin fig. 3, deze spanning is een spanning twee-fasig wordtgelijkgericht en een rimpel heeft van 120 Hz, vooropgestelddat de frequentie van het wisselstroomingangsvermogen Vingelijk is aan 60 Hz. Als de schakelorganen SI, S2 van het hoogfrequent schakelgedeelte 6 worden aangedreven met eenfrequentie van enkele kHz kan de spanningsval van decondensator Cl tijdens elke schakelperiode worden beschouwdals zijnde vrijwel een gelijkspanning. De gelijkspanning is infig. 4C aangeduid met "E", en wordt aangeboden aan eenpositieve ingangsaansluiting (+) van de eerste comparator 51van de besturingsketen 5 om gebruikt te worden als referentie-spanning. De zaagtandgolfvorm van de VCO 54 wordt toegevoerdnaar de negatieve ingangsaansluiting (-) van de eerstecomparator 51 om vergeleken te worden met de referentie-spanning E, en aldus wordt een pulsvormig signaal geproduceerdzoals getoond in fig. 4D.

In het weergegeven voorbeeld omvat de frequentiedeler 55van de besturingsketen 5 D-type flip-flops DF1, DF2 die metelkaar in serie zijn verbonden, NEN-poorten ΝΑΙ, NA2, alsmedeeen aandrijfketen 551 voor de schakelorganen, zoals getoond infig. 7.

Aan de D-type flip-flops DF1, DF2 wordt als kloksignaal Khet in fig. 4D getoonde, pulsvormige uitgangssignaal van deeerste comparator 51 aangeboden. De uitgangssignalen van deflip-flops DF1, DF2 passeren de NEN-poorten ΝΑΙ, NA2 envervolgens de in fig. 7 getoonde aandrijfketen 551, en hier¬door genereert de frequentiedeler 55 een besturingssignaal.

De figuren 6A t/m 6G illustreren golfvormen die optredenbij verschillende knooppunten in de keten van fig. 5.

Het in fig. 6A getoonde signaal K is het uitgangssignaalvan de eerste comparator 51, en dit K-signaal wordt aangebodenaan een klokaansluiting CK van de tweede flip-flop DF2. Hetsignaal dat resulteert nadat het K-signaal een invertor INV isgepasseerd, wordt aangeboden aan een klokaansluiting CK van deeerste flip-flop DF1. Aan zijn Q-uitgang levert de eersteflip-flop DF1 een signaal A, waarvan de golfvorm isgeïllustreerd in fig. 6B. Aan zijn Q-uitgang levert de tweedeflip-flop DF2 een signaal B, waarvan de golfvorm isgeïllustreerd in fig. 6C. Dit signaal wordt aangeboden aan deD-ingang van de eerste flip-flop DF1. Aan zijn Q-uitganglevert de eerste flip-flop DF1 een signaal C, waarvan de golfvorm is geïllustreerd in fig. 6D. Dit signaal wordtaangeboden aan de D-ingang van de tweede flip~flop DF2. Aanzijn Q-uitgang levert de tweede flip-flop DF2 een signaal D,waarvan de golfvorm is geïllustreerd in fig. 6E. De signalen Aen B worden aangeboden aan verschillende ingangen van deeerste NEN-poort NA1, die aan zijn uitgang een signaal Mlevert waarvan de golfvorm is geïllustreerd in fig. 6F. Designalen C en D worden aangeboden aan verschillende ingangenvan de tweede NEN-poort NA2, die aan zijn uitgang een signaalN levert waarvan de golfvorm is geïllustreerd in fig. 6G. Dezesignalen M en N worden toegevoerd naar de aandrijfketen 551van fig. 7.

In de fig. 8A t/m 8H zijn golfvormen geïllustreerd zoalsdie optreden bij verschillende knooppunten in de aandrijfketen551 van fig. 7. De uit de NEN-poorten NAl en NA2 afkomstigeingangssignalen M en N zijn respectievelijk getoond in defig. 8B en 8C, terwijl ter vergelijking het K-signaal isgetoond in fig. 8A. Een uitgangssignaal van de aandrijfketen551 wordt afgenomen tussen de knooppunten A en B, en wordtgetoond in fig. 8H. Het uitgangssignaal van de aandrijfketen551 wordt aangeboden aan een poortaansluiting van de schakel-organen SI, S2 van het hoogfrequent schakelgedeelte 6, welkeschakelorganen in het weergegeven voorbeeld bestaan uit eenMOSFET (metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistor), ondertussenkomst van een transformator T551.

In de fig. 8D t/m 8G zijn de schakeltoestanden van vierschakelorganen ql t/m q4 van de aandrijfketen 551 getoond, eneen uitgangssignaal zoals getoond in fig. 8H wordt verkregen.

Een ander ingangssignaal voor de frequentiedeler 55 wordtverschaft door een uitgang van de tweede comparator 52, en isafkomstig van de resonante keten 7. De hoofdreden waarom detweede comparator 52 aanwezig is, is om de hoofdvermogen-schakelorganen SI, S2 alsmede de gehele keten te beschermentegen over-stroom. Dit wordt aangeduid als venster-comparatorvoor het beschermen tegen en het detecteren van over-stroom.

De in de resonante inductor Lr vloeiende stroom wordtgelijkgericht door de diodes D7 en D8, en de daaruit resul- terende gelijkspanning wordt gedeeld door de weerstanden R18,R20 van de spanningsdeler 9. De spanningsval over de weerstandR20 wordt aangeboden aan de negatieve ingangsaansluiting (-)van de tweede comparator 52. Bijgevolg is de van de weerstandR20 afgenomen spanning een gelijkspanning.

Het hoogfrequent schakelgedeelte 6 dat het schakel-besturingssignaal van de besturingsketen 5 ontvangt, omvatMOSFET-schakelorganen SI en S2, parallel aan de MOSFETSverbonden condensatoren Cll en C22, en diodes D3 en D4.

Fig. 9A toont de golfvorm van het uitgangssignaal tussende knooppunten A en B van de aandrijfketen 551 van defrequentiedeler 55. In de fig. 9B en 9C zijn de tijdengeïllustreerd waarop de schakelorganen SI en S2 wordenaangeschakeld.

Als hoofdkenmerk van de werking van het hoogfrequentschakelgedeelte 6 worden de schakelorganen SI, S2 geschakeldbij de toestand waarin de spanningsval over de schakelorganenSi, S2 nul is, dat wil zeggen dat de diodes D3, D4 wordenaangeschakeld in een blok I zoals aangeduid in de fig. 9B en9C, hetgeen wordt aangeduid als de nulspanningsschakel-methode("zero voltage switching", ZVS), teneinde de schakelorganen SIen S2 met een hoge snelheid te schakelen. Volgens eendergelijke "ZVS"-methode, worden de schakelorganen SI en S2met hoge snelheid geschakeld en is er slechts een geringverlies van schakelvermogen.

Teneinde de werking van de ZVS-methode tot stand tebrengen, omvat de frequentiedeler 55 de flip-floppen DF1 enDF2. Als de schakelorganen SI en S2 om beurten wordengeschakeld, treedt een dode tijd op zoals blok I, zoals1 getoond in de fig. 9B en 9C, op een dusdanige manier dat deschakelorganen SI en S2 ZVS kunnen uitvoeren. Het eersteschakelorgaan SI wordt aangeschakeld in het pulsblok metpositieve spanning van fig. 9B, en het tweede schakelorgaan S2wordt aangeschakeld in het pulsblok met positieve spanning vani fig. 9C. Wanneer het eerste schakelorgaan SI wordt aan¬geschakeld in het pulsblok met positieve spanning van fig. 9B,is de golfvorm van de spanning tussen de drain en de source van het tweede schakelorgaan S2 getoond in fig. 9D, en degolfvorm van de stroom is getoond in fig. 9E. De golfvorm diestijgt tot het referentiepunt, grondniveau G, is een stroomdie via de diode D3 vloeit, en een stroom die vanaf hetgrondniveau G stijgt, duidt op een drain-stroom van het eersteschakelorgaan SI.

Thans zal een meer gedetailleerde beschrijving hier¬omtrent worden gegeven onder verwijzing naar de figuren 10At/m IOC.

Eerst wordt een beschrijving gegeven van de werkingtussen de tijdstippen to en ti in fig. 9E.

Op het starttijdstip to vloeit de stroom ir in de ketenvan fig. 10A in de richting zoals aangeduid met een pijl, enuiteindelijk vloeit de stroom via de baan E-Si~Lr-Cr-C44-E. Opdit moment begint de condensator C44 geladen te worden, enbegint de condensator C33 ontladen te worden. Deze bedrijfs-toestand wordt beëindigd op het tijdstip ti door hetuitschakelen van het schakelorgaan SI.

Thans wordt de werking tussen de tijdstippen ti en t2 vanfig. 9E beschreven. Als het schakelorgaan SI wordt uitge¬schakeld op het tijdstip ti, verandert de baan van de stroomir van het schakelorgaan SI naar de condensator Cll, en vloeitdeze stroom via de baan E-Cn-Lr-Cr-C44-E. Op dit moment begintde condensator Cll geladen te worden, en begint de condensatorC22 ontladen te worden. Deze bedrijfstoestand wordt beëindigdop het tijdstip t2 wanneer de spanning van de condensator C22nul wordt.

Thans zal de werking tussen de tijdstippen t2 en t4 vanfig. 9E worden beschreven. Wanneer op het tijdstip t2 despanning van de condensator C22 nul is, wordt de baan van destroom ir veranderd naar de diode d4, zoals getoond in fig.

IOC. Dat wil zeggen, de stroom ir vloeit dan via de baanL£—Cr-C44—D4—Lr·

In deze toestand is energie in de resonante keten 7 aanhet "free-wheelen", onafhankelijk van het vermogen E. Dezetoestand duurt voort tot het tijdstip t4.

Teneinde te voldoen aan de vereisten van ZVS, wordt hetschakelorgaan S2 aangeschakeld op het tijdstip t3. Aangeziende stroom ir een positieve (+) richting handhaaft op hettijdstip t2/ vloeit de stroom niet via het schakelorgaan S2.

En aangezien het schakelorgaan S2 juist een aangeschakeldetoestand handhaaft, voldoet het schakelorgaan S2 aan devereisten van ZVS.

De bovenstaande beschrijving heeft betrekking op de halveschakelperiode door het schakelorgaan S2, en aangezien deandere halve schakelperiode wordt uitgevoerd door hetschakelorgaan S2 op een vergelijkbare wijze tussen de tijd¬stippen t3 en tg, wordt een gedetailleerde beschrijvinghieromtrent achterwege gelaten.

De werking van de diodes D5 en D6 in fig. 3 is als volgt.

De bovengenoemde diodes D5 en D6 zijn diodes voor hetklampen van de spanningen van de condensatoren C33, C44 aan devermogensspanning E. Dat wil zeggen dat, in het geval dat hetgehele systeem abnormaal functioneert en de spanning van decondensatoren C33, C44 boven de vermogensspanning E stijgt tengevolge van resonantie, de diodes D5, D6 worden aangeschakeldom daardoor de spanning te klampen aan de vermogensspanning E.Een uitgang van het hoogfrequent schakelgedeelte 6 wordtaangeboden aan de resonante keten 7, en het uitgangssignaalvan de resonante keten 7 wordt via de transformator Tl aan¬geboden aan een uitgangsketengedeelte 8 om vermogen over tedragen aan de belasting Ro. De in fig. 9F getoonde golfvormheeft betrekking op de secundaire spanning van detransformator Tl, en wordt in fig. 9F vergeleken met deingangswisselspanning Vin. Fig. 9G toont de golfvormen van despanning V en de stroom I van de ingangswisselspanning Vin, enduidelijk blijkt dat de fase van spanning en stroom aan elkaargelijk zijn.

Aangezien de onderhavige uitvinding niet de aanwezigheidvereist van de schakelorganen Q en de condensatoren C zoalsdeze aanwezig zijn in de ,,boosting"-omzettechniek zoalsgetoond in de fig. 2A en 2B, kan de reductie van de betrouw¬baarheid ten aanzien van de schakelkarakteristieken worden weggenomen, en de onderhavige uitvinding kan in economischopzicht voordelig zijn.

De met de uitgang van het hoogfrequent schakelgedeelte 6verbonden resonantieketen 7, en het met de resonantieketen 7verbonden uitgangsketengedeelte 8, hebben een structuur vaneen resonante parallel-naar-seriebelastingomzetter.

Bijgevolg is de onderhavige uitvinding ontworpen omconstant de schakelhoekfrequentie ω3 van het hoogfrequentschakelgedeelte 6 te besturen in een hoger gebied dan dat vande natuurlijke vibratiefrequentie ωΓ van de resonante inductorLr van de resonantieketen 7 en de resonante capaciteit Cr. Denatuurlijke vibratiefrequentie mr van de resonantieketen 7 kanworden uitgedrukt door de hiernavolgende formule 4:

Naar het uitgangsketengedeelte 8 wordt een hoogfrequentsignaal overgedragen via de transducent tl die parallel isverbonden met de condensator Cr van de resonantieketen 7. Despanning en stroom daarvan zijn met elkaar in fase. Ditsignaal wordt omgezet naar een gelijkspanningssignaal door dediodebrugketens Dll, D22, D33, D44 van het uitgangsketen¬gedeelte 8, spoel Lo en condensator Co, en wordt dan aangebodenaan de belasting Ro.

Een ander doel van de onderhavige uitvinding is hetverschaffen van een stabiel vermogen ongeacht fluctuaties vanhet ingangsvermogensniveau of de belasting, en daartoe isparallel met de belasting Ro een uitgangsspanningdetecteer-gedeelte 10 verbonden, die de spanning over de belasting Rodetecteert en een terugkoppelspanning genereert dat stijgtwanneer de ingangswisselspanning Vin stijgt. Het terugkoppel-spanningssignaal van het uitgangsspanningdetecteergedeelte 10wordt toegevoerd naar de fase-invertor 53 van het besturings-gedeelte 5. De fase-invertor 53 is een omkeerversterkingsketendie gevormd is rond een operationele versterker, en de uitgangsspanning daarvan wordt toegevoerd naar de veld-versterker 56, evenals de referentiespanning Vref.

In het uitgangsketengedeelte 8 vormen de spoel Lo en decondensator Co een uitgangsfilter, waarvan de poolfrequentiewordt uitgedrukt door de hiernavolgende formule 5:

Derhalve is de foutversterker 56 ontworpen om tweenulpunten en één pool te hebben teneinde te compenseren voorde frequentiekarakteristieken van het uitgangsfilter van hetuitgangsketengedeelte 8, en wel volgens de hiernavolgendeformules:

De versterkingsfactor van de foutversterker 56 wordtuitgedrukt door de hiernavolgende formule 9:

De foutversterker 56 bestuurt de frequentie van hetzaagtanduitgangssignaal van de VCO 54, en verhoogt deuitgangsfrequentie als er enige fluctuatie zoals dit is.Bijgevolg wordt de uitgangsfrequentie van de eerste comparator51 verhoogd, en wordt de frequentie van het uitgangsschakel-signaal door de frequentiedeler 55 ook verhoogd. Wanneer delogische keten 55 zich in een normale toestand bevindt,verschaft deze echter een uitgangssignaal van constantefrequentie.

Samenvattend, als de aan de foutversterker 56 toegevoerdespanning toeneemt, dat wil zeggen het wisselspanningsniveau,stijgt het uitgangssignaal van de foutversterker 56. Alsgevolg hiervan neemt de zaagtandgolffrequentie toe, evenals deschakelfrequentie, waardoor het ingangsvermogen afneemt.

In tegenstelling daarmee neemt het ingangsvermogen toewanneer de naar de foutversterker 56 toegevoerde spanningafneemt. Wanneer er derhalve een fluctuatie optreedt in debelasting Ro, zal een toename van de belasting Ro een toenameveroorzaken van het uitgangssignaal van de foutversterker 56om de uitgangsspanning te verlagen. Wanneer daarentegen debelasting Ro afneemt, stijgt de uitgangsspanning. Dat wilzeggen dat de uitgangsspanning constant geproduceerd wordt,zelfs in het geval van belastingfluctuaties.

De fig. 12 en 13 illustreren voorkeursuitvoeringsvormenwaar de kenmerken van de on derhavige uitvinding zijntoegepast. Deze twee uitvoeringsvormen zijn vergelijkbaar metde keten van fig. 3.. Daarbij is echter in fig. 12 de uitgangs-keten vervangen door een hoge intensiteitontladingslamp (HID)en in fig. 13 is als belasting een ontladingslamp parallelverbonden met een condensator Cr van een resonantieketen. Eennaar de besturingsketen 5 teruggevoerd signaal is hierbijafhankelijk van de spanning van een weerstandsorgaan R30 datis verbonden met een secundaire spanning van de inductor Lrvan de resonantieketen.

Deze voorkeursuitvoeringsvormen van de onderhavigeuitvinding zijn toepasbaar bij een elektronische stabilisator als een vermogenstoevoersysteem met een hoge vermogensfactor,een hoge efficiëntie en een hoge niveaudichtheid.

Volgens de onderhavige uitvinding zijn de totale ketenseenvoudiger dan een vermogensfactor-verbeterende keten waaromzettechniek van het "boosting"-type wordt gebruikt, zoalsgetoond in de fig. 2A en 2B, en de ingangsvermogensfactorwordt verhoogd door het verwijderen van dode hoek en dode tijdzoals getoond in fig. 2B teneinde voordelig te zijn inbetrouwbaarheid en kosten. Daarnaast is het mogelijk dat hethele systeem klein is van afmeting en licht in gewichtaangezien volgens de onderhavige uitvinding de resonanteomzetter wordt bestuurd.

Als resultaat van het meten van de golfvormen van deingangsspanning en de ingangsstroom in de keten van deonderhavige uitvinding zoals getoond in fig. 3, kan de infig. 9G getoonde golfvorm worden verkregen.

Vergeleken met de fig. 1B en 2B heeft deze golfvormgeen enkele vervorming. Bijgevolg is het aandeel aan hogefrequenties aanzienlijk verminderd in vergelijking met defig. 1B en 2B.

Hoewel de onderhavige uitvinding is beschreven insamenhang met wat thans de meest praktische en de voorkeurverdienende uitvoeringsvormen worden beschouwd, zal hetduidelijk zijn dat de uitvinding niet tot de beschrevenuitvoeringsvormen is beperkt maar daarentegen bedoeld is omverscheidene modificaties en equivalente opstellingen tedekken die vallen binnen de geest en omvang van de bijgevoegdeconclusies.

Claims (10)

1. Een vermogenstoevoersysteem met een hoge vermogensfactor,omvattende: een twee-fasig gelijkrichtorgaan voor het gelijkrichtenvan een wisselstroomsignaal; een spanningsdeelorgaan voor het delen van een gelijk¬gericht signaal; een evenwijdig met genoemd spanningsdeelorgaan verbondencapaciteit; een met het gelijkrichtorgaan verbonden inductor;schakelmiddelen voor het besturen van de toevoer van ingenoemde inductor vloeiende stroom; een resonantieketengedeelte dat gevormd is door genoemdeinductor en genoemde capaciteit en verbonden is met genoemdes chakelmiddelen; een uitgangsketen voor het ontvangen van een signaal vanhet resonantieketengedeelte, het gelijkrichten en het danoverdragen van genoemd signaal naar een belasting; en een besturingsketen voor het verschaffen van een schakel-besturingssignaal aan genoemde schakelmiddelen; waarbij genoemde besturingsketen een zaagtandsignaal-generator omvat, vergelijkingsmiddelen voor het vergelijkenvan een uitgangssignaal van het spanningsdeelorgaan met eensignaal van de zaagtandsignaalgenerator, en een frequentie-deler voor het genereren van een schakelbesturingssignaal dateen nulgebied heeft bij elke schakelpuls in overeenstemmingmet een uitgangssignaal van de vergelijkingsmiddelen.

2. Systeem volgens conclusie 1, waarbij genoemdefrequentiedeler in de besturingsketen omvat: eerste en tweede flip-flops van het D-type die eenuitgangssignaal van de vergelijkingsmiddelen gebruiken alskloksignaal; een poortketengedeelte voor het genereren van tweepulssignalen door het uitgangssignaal te leiden naar NEN-poorten; en een schakelaandrijfketen die gevormd is rond vierschakeltransistoren en transformators om twee aandrijfpulsente genereren met een besturingsgebied door twee pulssignalente ontvangen.

3. Systeem volgens conclusie 1, voorts voorzien van eentweede vergelijkingsorgaan voor het vergelijken van eenreferentiesignaal door een uitgangssignaal van de resonantie-keten te delen, waarbij een uitgangssignaal van het tweedevergelijkingsorgaan wordt toegevoerd naar de frequentiedelerom een uitgangssignaal van de frequentiedeler te blokkerenwanneer een over-stroom optreedt.

4. Vermogenstoevoersysteem met een hoge vermogensfactor,omvattende: een twee-fasig gelijkrichtorgaan voor het gelijkrichtenvan een wisselstroomsignaal; een spanningsdeelorgaan voor het delen van een gelijk¬gericht signaal; een parallel met het spanningsdeelorgaan verbondencapaciteit; een met het gelijkrichtorgaan verbonden inductor;schakelmiddelen voor het besturen van een toevoer van ingenoemde inductor vloeiende stroom; een resonantiekëtengedeelte dat gevormd is door genoemdeinductor en genoemde capaciteit en verbonden is met des chakelmiddelen; een uitgangsketen voor het ontvangen van een signaal vanhet resonantieketengedeelte, het gelijkrichten en danoverdragen van het signaal naar een belasting; een frequentiedeler voor het verschaffen van een schakel-besturingssignaal aan de schakelmiddelen; een vergelijkmgsorgaan voor het uit een deelketen terug¬voeren van een aan de belasting toegevoerd signaal en het danvergelijken van het signaal; en een foutversterkingsorgaan dat een uitgangssignaalontvangt van het vergelijkingsorgaan teneinde de frequentievan genoemde zaagtandgolfgenerator te verhogen of te verlagenin overeenstemming met een signaalniveau van het foutverster—kingsorgaan.

5. Systeem volgens conclusie 4, waarbij genoemde frequentie—deler in de besturingsketen omvat: eerste en tweede flip-flops van het D-type die eenuitgangssignaal van de vergelijkingsmiddelen gebruiken alskloksignaal; een poortketengedeelte voor het genereren van tweepulssignalen door het uitgangssignaal te leiden naar NEN-poorten; en een schakelaandrijfketen die gevormd is rond vierschakeltransistoren en transformators om twee aandrijfpulsente genereren met een besturingsgebied door twee pulssignalente ontvangen.

6. Systeem volgens conclusie 4, voorts voorzien van eentweede vergelijkingsorgaan voor het vergelijken van eenreferentiesignaal door een uitgangssignaal van de resonantie-keten te delen, waarbij een uitgangssignaal van het tweedevergelijkingsorgaan wordt toegevoerd naar de frequentiedelerom een uitgangssignaal van de frequentiedeler te blokkerenwanneer een over-stroom optreedt.

7. Vermogenstoevoersysteem met een hoge vermogensfactor,omvattende: een twee-fasig gelijkrichtorgaan voor het gelijkrichtenvan een wisselstroomsignaal; een spanningsdeelorgaan voor het delen van een gelijk¬gericht signaal; een parallel met het spanningsdeelorgaan verbondencapaciteit; een met het gelijkrichtorgaan verbonden inductor;schakelmiddelen voor het besturen van een toevoer van ingenoemde inductor vloeiende stroom; een resonantieketengedeelte dat is gevormd door genoemdeinductor en capaciteit en is verbonden met de schakelmiddelen; een transformator voor het ontvangen van een signaal vanhet resonantieketengedeelte, het gelijkrichten en dan over¬dragen van het signaal naar een belasting; een frequentiedeler voor het verschaffen van een schakel-besturingssignaal aan genoemde schakelmiddelen; een vergelijkingsorgaan voor het uit een deelketen terug¬voeren van een aan de belasting toegevoerd signaal en het danvergelijken van het signaal; en een foutversterkingsorgaan dat een uitgangssignaal vanhet vergelijkingsorgaan ontvangt om de frequentie van genoemdezaagtandgolfgenerator te verhogen of te verlagen in overeen¬stemming met een signaalniveau van het foutversterkingsorgaan.

8. Systeem volgens conclusie 7, voorts voorzien van eentweede vergelijkingsorgaan voor het vergelijken van eenreferentiesignaal door een uitgangssignaal van de resonantie-keten te delen, waarbij een uitgangssignaal van het tweedevergelijkingsorgaan wordt toegevoerd naar de frequentiedelerom een uitgangssignaal van de frequentiedeler te blokkerenwanneer een over-stroom optreedt.

9. Systeem volgens conclusie 7, waarbij genoemde frequentie¬deler in de besturingsketen omvat: eerste en tweede flip-flops van het D-type die eenuitgangssignaal van de vergelijkingsmiddelen gebruiken alskloksignaal; een poortketengedeelte voor het genereren van tweepulssignalen door het uitgangssignaal te leiden naar NEN-poorten; en een schakelaandrijfketen die gevormd is rond vierschakeltransistoren en transformators om twee aandrijfpulsen te genereren met een besturingsgebied door twee pulssignalente ontvangen.

10. Systeem volgens ten minste één der voorgaande conclusies,waarbij de belasting een ontladingslamp is of een hogeintensiteit-ontladingslamp.