NO873059L - Dobbelt-svitsjet kraftforsyning. - Google Patents

Description

FORKORTELSER OG UTTRYKK :

På grunn av at oppfinnelsen er tiltenkt et internasjonalt marked, er flere deler gitt engelske navn og -forkortelser. Disse er -forklart nedenfor :

DS = Double Switched

Brukt om svitsjeenheter med en svitsj i hver kraftleder

DSCIC = Double Switched Current Injected Capacitor

= Dobbel svitsjet strøminji sert kondensator

DSP = Dual Switched Powersupply

= Dobbel svitsjet spenningsforsyning

Navnet på oppfinnelsen

DSSU = Double Switched Switch Unit = Dobbeltsvitsjet svitsjeenhet

SSP = Spike Suppressor and Protector

= Overspennings-undertrykker og -beskytter

The Dual Switching Principal = Dobbeltsvitsjeprinsippet

Spenningsspiker el. spiker = Kraftig overspenning av kort varighet

Kap. 1 DSP s

1.1 Bruk av DSP :

DSP er en spenningsforsyning som er konstruert for å brukes i forbindelse med følsom analog og digital elektronikk som ikke tolererer den støyen som vanlige spenningsforsyninger har på utgangen når de mottar støypu.lser på inngangen.

1.2 Dagens teknologi

Mange steder hvor elektroniske konstruksjoner er i bruk er høyfrekvensstøy (RF støy) og 1avfrekvensstøy (LF støy) et stort problem.

Mange typer LF støy forplanter seg langs nettspenningsledningene, heretter kalt nettet, og når utgangen på spenningsforsyningen.

Den vanligste måten for å prøve å unngå denne støyen er ved bruk av passive LC eller RC filter. På grunn av fysiske begrensninger ved de komponentene som finnes, er det umulig å bygge slike filter som filtrerer bort all støy !

En annen metode er å koble en elektrisk motor til det støyfylte nettet. Motoren driver en generator som igjen er koblet til en vanlig spenningsforsyning. På denne måten har man klart å framskaffe en støyfri spenningskilde. Metoden virker utmerket, men er enormt plasskrevende og kostbar og dermed uhensiktsmessig i mange sammenhenger.

1.3 Fordeler med DSP :

DSP (fig. 2.0) undertrykker totalt både RF og LF støy :

DSP består hovedsaklig av to DSSU (kap. 3.2) i seriekobling. Disse er svitsjet etter et tidsdiagram som er vist fig. 2.8, og som jeg har kalt dobbeltsvitsjeprinsippet "(kap. 3.1) . De to svitsjene i hver DSSU svitsjes i parallell. De to DSSU-ene blir igjen svitsjet av en 2 fase ikkeoverlappende klokkepuls som beskrevet i 2.8 og 2.9. Dette utgjør den nye delen av designet.

Dette gjør at det ikke på noe tidspuknt er elektrisk kontakt mellom inngang og utgang på spenningsforsyningen, og LF støy kan dermed ikke slippe igjennom.

For å filtrere bort RF støy har jeg tredd ferritringer innpå ledningene flere steder, brukt skjermede ledninger og skjermet enhetene fra hverandre. Jeg har også introdusert et vanlig passivt filter til dette formålet. Dette utgjør den delen av designet som er velkjent teknologi.

Kap. 2 Beskrivelse av blokkdiagram :

2.0 Generell beskrivelse :

Blokkdiagrammet for DSP er vist i fig. 2.0. Hensikten med DSP designet er å totalt undertrykke støy på inngangen, slik at utgangen er støyfri !

Svitsjene i DSSU 1 blir drevet av klokkesignalet fase 1, som har "duty cycle" dl. Tilsvarende blir DSSU 2 drevet av fase 2 som har "duty cycle" d2. Se tidsdiagrammet i fig. 2.8. Dette er kalt dobbeltsvitsjeprinsippet. d2 er vanligvis mye mindre enn dl slik at utgangsspenningen fra DSSU 1 er mye større enn utgangsspenningen fra DSSU 2.

Når en moderat spenningsspiker opptrer på nettinngangen vil SSP undertrykker mesteparten av den. Hvis svitsjene i DSSU 1 er lukket på dette tidspunktet, vil resten av spikeren overføres hit, og vil være utdødd når svitsjene i DSSU 2 lukkes. Dermed forblir utgangen av DSP støyfri !

Hvis en mer ekstrem spiker oppstår på nettet, vil overspenningssensoren (fig. 2.1) i SSP signalisere DSSU 1 til å åpne svitsjene. På grunn av forsinkelsen som er innebygget i nettfilteret, vil DSSU 1 være frakoblet når spikeren når inngangen. Mens DSSU 1 er frakoblet, vil kondensatoren i DSSU 1 forsyne DSSU 2 med energi. Dette er grunnen til at det er så viktig at utgangsspenningen fra DSSU i er mye større enn utgangsspenningen fra DSSU 2. TiIbakekoblingskontrol1 2 vil da øke "duty cyclen" på svitsjingen i DSSU 2 for å holde spenningen på utgangen av DSP konstant mens kondensatoren i DSSU 1 utlades.

Hvis en ekstrem overspenning oppstår på nettet, vil overspenningsbeskytterne SO, Sl og S2 kortslutte og sprenge sikringene og på denne måten beskytte elektronikken på utgangen fra å bli skadet.

Kjente støybegrensende kretser fra design av "switch mode" spenningsforsyninger vil ikke bli diskutert, da de er kjent teknologi.

2.1 SSP :

SSP (fig. 2.1) består av en sikring i hver nettledning og 3 overspenningsbeskyttere kalt SO, Sl og S2. De kan være av gassutladningstypen, eller raskere si 1 ikonbaserte enheter. Dette gir "common mode" og "differential mode" overspenningsbeskyttelse. Hvis kretsen blir utsatt for en høy overspenning vil overspenningsbeskytterne kortslutte og sprenge sikringene.

Det er også montert små -f er i ttr inger med noen få viklinger i hver av nettledningene» I tillegg er en varistor og to zenerdioder montert i parallell med nettledningene.

Knespenningen til varistoren skal være lavere enn knespenningen til de to zenerdiodene som er like. Dette er gjort fordi varistoren kan absorbere mer energi enn zenerdiodene uten å ta skade, men zenerdiodene er mye raskere enn varistoren.

Når en spenningsspiker når knespenningen til varistoren, starter den å lede. Hvis stigetiden til spikeren er veldig kort, vil varistoren bare såvidt begynne å lede, og spenningen over den vil fortsette å stige til den når knespenningen til zenerene. Zenerdiodene vil begrense spenningen til denne høyfrekvens spenningstoppen den korte tiden det tar før varistoren begynner å lede fullstendig. Zenerdiodene vil derfor absorbere bare en liten del energi.

Til slutt er det montert en spikersensor som detekterer overspenninger av lengre varighet, og signaliserer DSSU 1 gjennom en optokobler til å koble seg fra nettet mens spikeren dør ut.

2.2 Nettfilteret :

Nettfilteret (fig. 2.0) er et vanlig "common mode" og "differential mode" filter som er impedansmessig tilpasset. Det vil ikke bli beskrevet her siden det er velkjent teknologi.

Filteret virker også som forsinkelsesnettverk. Dette gir SSP tid til å signalisere DSSU 1 om å åpne svitsjene SIA og S1B når en spiker oppstår.

2.3 Transformatorene :

Tranformator 1 og 2 (fig„ 2.0) kan sløyfes avhengig av hvordan DSP realiseres. Hvis de brukes må de være av den skjermede typen med skjermede primær- og sekundærviklinger. Skjermen nærmest primær skal være jordet til nettjord, og skjermen nærmest sekundær skal være jordet til minus. Transformatoren skal igjen være omsluttet av en skjerming.

2.4 Likeretterne :

Likeretterene (fig. 2.0) og eventuelle dioder i svi tsjeenhetene DSSU 1 og DSSU 2 skal bestå av såkalte "fast recovery" eller "schottky" dioder. På denne måten genererer likeretterne så lite støy som mulig.

2.5 DSSU :

En generell DSSU er vist i fig. 2.2. Den består av to svitsjer SIADg S1B, en i hver spenningsleder. Svitsjene opererer i parallell,, Etter svitsjene sitter det et såkalt svitsjeelement, Svitsjeelementets oppgave er å transformere 1 ikespenningen Vi til 1 ikespenningen Vo ved at "duty cyclen" på svitsjene blir regulert. Etter svitsjeelementet sitter en overspenningsbeskytter OSB som passer på at spenningen ut fra svitsjeelementet ikke overstiger en bestemt verdi.

Svitsjeelementet kan bygges på flere måter, og tar utgangspunkt i kjente enheter fra "Switch mode" spenningsforsyninger. Overspenningsbeskytteren kan også bygges på flere forskjellige kjente måter.

Dette gir oss flere forskjellige mulige konfigurasjoner av DSSU. Eksempler på svitsjeelement er vist i fig. 2.3 - 2.7, og er diskutert i 2.5.1 - 2.5.6.

DSSU 1 og DSSU 2 i fig. 2.0 kan være like eller forskjellige. Svitsjene i

DSSU 1 er kallt SIA og S1B, og svitsjene i DSSU 2 S2A og S2B.

2.5.1 "DS Forward Converter" svitsjeelement :

Se fig. 2.3. Dette svitsjeelementet er basert på en vanlig "forward converter".

2.5.2."Isolated Forward Converter" svitsjeelement :

Se fig. 2.4. Dette svitsjeelementet er basert på en vanlig "Isolated Forward Converter".

I ti Hegg skal spole-transformatoren være av den typen som er beskrevet i 2.3. Enten SIA eller S1B kan sløyfes hvis erfaringen viser at den isolerte spole— transformatoren gir den nødvendige støybeskyttelsen.

2.5.3 "DS Flyback Converter" svitsjeelement :

Se fig. 2.5. Dette svitsjeelementet er basert på en vanlig "forward converter"

2.5.4 "Isolated Flyback Converter" svitsjeelement :

Se fig. 2.6. Dette svitsjeelementet er basert på en vanlig "Isolated Flyback Converter".

I tillegg skal spole-transformatoren være av den typen som er beskrevet

i 2.3. Enten SIA eller S1B kan sløyfes hvis erfaringen viser at den isolerte spole-transformatoren gir den nødvendige støybeskyttelsen.

2.5.5 DSCIC :

DSCIC (fig. 2.6) er konstruert for å brukes som en eller begge DSSU. Den består av en strømkilde som svitsjes mot en kondensator C via to svitsjer SIA og S1B som operer i parallell.

2.5.6 Konstruksjon av DSSU ;

En DSSU kan bestå av hvilken som helst av de ovenfor diskuterte svitsjeelement, men den kan også bestå av hvilken som helst annet svitsjeelement med lignende egenskaper. Den eneste begrensningen er at de to svitsjene SIA og S1B må operere i parallell og to DSSU må kunne opereres i seriekobling (fig. 2.0) av klokkesignaiene fase 1 og fase 2 (fig. 2.7).

2.6 Filteret :

Filteret (fig. 2.05 kan sløyfes avhengig av hvordan DSP konstrueres. Hvis det brukes kan det enten være et LC eller et RC filter.

Hvordan man skal konstruere enheten er ikke diskutert her, siden det er mange velkjente måter å gjøre dette på.

2.7 E-ffekt-fordeleren :

Effekt -fordeleren (fig. 2.0) velger hvilken av utgang 1 eller 2 som forsyner kontrollelektronikken med strøm : Når DSP først slås på, får kontrollelektronikken strøm fra utgang 2 gjennom effektfordeleren. Når spenningen pa utgang 1 når sitt nivå, trigger spenningssensoren effektfordeleren til å velge utgang 1 til å forsyne kontrollelektronikken med\strøm.

Dette er gjort fordi utgang 2 kan inneholde støy som kan få kontrollelektronikken til å operere feil slik at svitsjene i DSSU 1 og 2 vil være lukket samtidig. Dette vil føre til at vi får støypulser på utgang 1. Ved å tilføre kontrollelektronikken med strøm fra utgang i, elimineres dette problemet.

Hvordan man skal konstruere enheten er ikke diskutert her, siden det er mange velkjente måter å gjøre dette på.

2.8 Firkantpulski okka :

Klokka generer en firkantpuls som kalles fase 2 og har frekvens f. "Duty cyclen" d2 kan kontrolleres via en egen inngang. I fig. 2.0 kontrolleres d2 av tilbakekoblingskontrol1 2.

Tidsdiagrammet for klokka og klokkedeleren er vist i fig. 2„8.

Hvordan man skal konstruere enheten er ikke diskutert her, siden det er mange velkjente måter å gjøre dette på.

2.9 Klokkedeleren:

Klokkedeleren (fig. 2.0) mottar fase 2 fra klokka, og genererer fase 1. "Duty cyclen" dl kan kontrolleres via en egen inngang. I fig. 2.0 kontrolleres dl av tilbakekoblings- kontroll 1. Stigende flanke til fase 1 kommer tiden ti etter fallende flanke til fase 2. t.t kan varieres, men er vanligvis fast.

Utgangen fra klokkedeleren er dermed to signal, fase 1 og fase 2 med samme frekvens, men hvor "duty cyclen" til signalene kan kontrolleres uavhengig av hverandre.

Disse to klokkesignalene er nøkkelen til dobbeltsvitsje- prinsippet og isolasjonen mellom inngang og utgang' til DSP. Fase 1 kontrollerer svitsjene i DSSU 1, og fase 2 svitsjene i DSSU 2.

Når en spenningsspiker når inngangen samtidig som svitsjene i DSSU 1 er lukket, vil spikeren lade kondensatoren i DSSU i til en høyere spenning enn normalt. Hvis spenningen blir høyere enn triggespenningen til overspenningsbeskytteren (fig. 2.3 - 2.6), vil denne starte å lade ut kondensatoren på utgangen av DSSU 1.

Tidsforsinkelsen t2 mellom fallende flanke av fase 2 og stigende flanke av fase 1 er der for å qi den overflødige ladningen på kondensatoren i DSSU 1 tid til å lade seg ut før svitsjene i DSSU 2 lukkes.

Tidsdiagrammet for klakka og klokkedeleren er vist i fig. 2.8. ti og t2 må være > 0 for at isolasjon mellom inngang og utgang skal opprettholdes.

2.10 Tilbakekoblingskontrol1 1:

TilbakekoblingskontrolI 1 føler på utgangen av DSSU 1 og kontrolerer "duty cyclen" dl til fase 1 for å holde utgangsspenningen konstant. Denne reguleringen kan også oppnås med foroverkobl ing eller en kombinasjon avforover- og tilbakekobling.

Hvordan man skal konstruere enheten er ikke diskutert her, siden det er mange velkjente måter å gjøre dette på.

2.11 Tilbakekoblingskontrol1 2:

Ti lbakekobl ingskontrol 1 2 -føler på utgang 1 og kontrolerer "duty cyclen" d2 til -fase 2 -for å holde utgangsspenningen konstant.

Denne reguleringen kan også oppnås med -foroverkobi ing eller en kombinasjon av forover- og tilbakekobling.

2.12 Spenningen ut fra DSP :

Utgangssepnningen Vo fra den ideelle DSP med DC inngang- spenning Vi er gitt av ligningen .

1) Vo = Vi*dl*d2 hvor duty cycle = 1 = 100 '/.

Siden hver svitsje transistor har endelig påmotstand, har hver DSSLI virkningsgrad e. Vi får da :

2) Vo = Vi*e*dl*e*d2 = Vi*e<2>#dl*d2

Fra tidsdiagrammet i fig. 2.8 får vi :

3) dl+d2 = l-tx*f ==> d2 = l-tx*f-dl hvor tx = tl+t2

Vi setter 3) inn i 2) og får :

4) Vo = Vi*e2*dl*(l-tx*f-dl) = Vi*e=*( (l-t>:*f )*dl-dl = )

Max Vo får vi for en bestemt dl og d2 gitt av ligningen :

5) dl = (l-tx*f)/2 og d2 = dl

Hvis vi antar at faktoren tx*f = 0.1 eller 10 %, får vi

dl = (1-0.D/2 = 0.45

Hvis vi også antar at virkningsgraden av hvert trinn = 0.7, får vi følgende utgangsspenning på utgang 1 (fig. 2.0) :6) Vo = Vi#0.7<2>#0.45<2>= Vi*0.099 = ca. Vi/10

Selvsagt kan utgangsspenningen bli høyere hvis vi bruker DSSU-er med "step up" transformatorer.

Claims (1)

1. 3.1 Dobbeltsvitsjeprinsippet :

   Spenningsforsyning kalt DSP (fig. 2.0) karakterisert ved to dobbeltsvitsjede svitsjeenheter kalt DSSU (fig. 2.3T^ i seriekobling og svitsjet etter tidsdiagrammet i fig. 2,8. Fase 1 driver svitsjene SIA og S1B i DSSU 1, og fase 2 driver svitsjene S2A og S2B i DSSU 2. SIA og S1B opererer i parallell, og S2A og S2B opererer i parallell. 3.2 DSSU prinsippet : Dobbeltsvitsjet svitsjeenhet kalt DSSU (fig. 2.2) karakterisert ved to svitsjer SIA og S1B , en i hver spenningsleder, som opererer i parallell. Svitsjene svitsjer et svitsjeelement som dermed transformerer 1 ikespenningen Vi til 1 ikespenningen Vo ved å regulere "duty cyclen" på svitsjingen. 3.3 SSP : Støypulsundertrykker kalt SSP (fig. 2.1) karakterisert ved en sikring i hver spenningsleder, tre overspenningsbeskyttere SO, Sl og S2 som gir "common mode" og "differential mode" overspennigsbeskyttelse, en ferrittring i hver spenningsleder, en varistor i parallell, to seriekoblede senere i parallell hvor zenerene er snudd hver sin vei og en spikersensor i parallell som detekterer spenningsspikere med en viss varighet og signaliserer dette via en optokobler. 3.4 DSCIC : Dobbelsvitsjet strøminjisert kondensator kalt DSCIC (fig. 2.7) karakterisert ved at en strømkilde I blir svitsjet inn i kondensatoren C via to svitsjer SIA og S1B som opererer i parallell. På utgangen sitter en overspenningsbeskytter som passer på at spenningen over kondensatoren C ikke overstiger en bestemt verdi. Kap. 4 Sammendrag . DSP (fig. 2.0) er en spenningsforsyning som inneholder to svitjeenheter kalt DSSU (fig. 2.2) i seriekobling. De to DSSU er svitsjet annenhver gang etter et tidsdiagram som er vist i fig. 2.S, og som kalles dobbeltsvitsjeprinsippet. En spesiell overspenningsundertrykker kalt SSP (fig. 2.1) undertrykker det meste av overspenningene på inngangen, og signaliserer også DSSU 1 om at den må koble seg fra kraftlederne ved høye overspenninger. Hver DSSU (fig. 2.2) karakteriseres ved at to svitsjer SIA og S1B svitsjer et såkalt svitsjeelement som transformerer inngangsspenningen Vi til utgangsspenningen Vo ved at "duty cyclen" på svitsjene reguleres. SIA og S1B opereres i parallell. Mulige svitsjeelement er vist i fiq. 2.3 - 2.7. En ny DSSU kalt DSCIC (fig. 2.6) er oppfunnet. Den karakteriseres ved at en strø mkilde I svitsjes inn i en kondensator C via svitsjene SIA og S1B.