SE430453B - Lik-vexelspenningsomformare - Google Patents

Description

781071 18-0 I en utföringsform av uppfinninqen innehåller tankkretsen en induktans, som är seriekopplad med en kondensator över lik- spänningskällan och omkopplingskretsen är parallellkopplad med kondensatorn.

I en annan utföringsform av uppfinningen i push-pullform innehåller omformaren ett par matningskondensatorer, som'är seriekopplade med varandra över likspänningskällan, ett par solid-state omkopplingsanordningar, vardera i serie eller parallellt med en diod, ävenledes seriekopplade med varandra över källan, och induktansen i tankkretsen är kopplad mellan matningskondensatorernas föreningspunkt och omkopplingskret- sarnas föreningspunkt.

Tankkretsens kondensator kan vara ansluten mellan omkopplings- kretsarnas föreningspunkt och den ena eller vardera tillför- selkontakten eller kan vara parallellkopplad med induktansen.

Kondensatorn i tankkretsen kan vara shuntad med ett motstånd och kan vara seriekopplad med en solid-state omkopplingsan- ordning för att starta svängning.

I en utföringsform av uppfinningen är belastningskretsen an- sluten eller kopplad till tankkretsen parallellt med induktan- Sen. .

Belastningskretsen kan vara sålunda ansluten till en sekundär- lindning på en transformator som har en primärlindning paral- lellkopplad med tankkretsens induktans. Alternativt kan be- lastningskretsen vara ansluten till sekundärlindningen på en transformator, hos vilken tankkretsens induktans bildar en pri- _märlindning. Belastningskretsen kan även vara kopplad eller ansluten till tankkretsen i serie med induktansen, exempel- vis så att den är ansluten till en sekundärlindning på en transformator, som har en primärlindning i serie med tankkret- sens induktans. _ i 7811711841 Ytterligare egenskaper och detaljer hos uppfinningen kommer att framgå av följande beskrivning av vissa specifika utfö- ringsformer, som ges endast såsom exempel under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig. l är ett schema av en känd anordning, fig. 2 ett vågformsdiagram för den kända anord- ningen enligt fig. l, fig. 3 ett schema av en utföringsform av uppfinningen, utvisande en enkel parallellbelastningsanord- ning, fig. 4 ett vågformsdiagram för anordningen enligt fig. 3, fig. 5 ett schema av en parallellbelastningsanordning av push-pulltyp, fig. 6 ett vågformsdiagram av anordningen enligt fig. 5, fig. 7 ett detaljschema av en anordning, som är likartad med den i fig. 5 visade, fig. 8 ett schema av en seriebelastningsanordning av push-pulltyp, fig. 9 och 10 ekvi- _valenta schemor, illustrerande funktionen av anordningen en- ligt fig. 8 i olika partier av en period samt fig. ll och l2 vågformsdiagram, illustrerande funktionen av anordningen en- ligt fig. s.

Fig. l illustrerar en typisk, känd högfrekvensomformare, som arbetar från en likspänninaskälla, visad såsom härledd från växelströmsnät 15 genom en likriktare 16, varvid ändamålet är att åstadkomma en isolerad lågspänningskälla med små dimen- sioner, Denna teknik är tidigare allmänt känd såsom effektmat- ning med hackad mod. Såsom visas i fig. l, är ett par konden- satorer Cl och C2 seriekopplade över de positiva och negativa likspänningsmatningskontakterna 10 och ll, varvid dessa konden- satorers reaktans är försumbar vid omformningsfrekvensen (vil- ken typiskt kan vara 30 kHz). Ett par transistorer Tl och T2 är även seriekopplade över likspänningskällans kontakter, me- dan primärlindningen på en transformator TRl är ansluten mel- lan kondensatorernas föreningspunkt och transistorernas före- ningspunkt A. Transistorerna Tl och T2 är styrda av sina bas- drivkretsar för att tändas alternerande. Transformatorns TRl 7ao711s-o utspänning kommer att styras av märkintervallförhållandet för ledningstid i var och en av de två transistorerna. Fig. 2 vi- sar den spänninqsvågform som uppträder vid punkten A för två olika utspänningstillstånd.

På grund av de starkt växlande spänningsvågformerna över tran- sistorerna är arbetsfrekvensen och uteffekten från dylika om- formare starkt begränsad av den tillåtna läckning som uppträder över omkopplingsanordningarna vid tändning och släckning. Spe- cifikt vid släckning kommer den spänning som uppträder över an- ordningen, när ström flyter genom denna, endast svagt att redu- ceras, vilket bringar högeffekttillståndet att sammanfalla med hög ström och hög spänning. En ytterligare, icke önskvärd egen- skap hos dessa omformare, vilken även beror på de mycket höga hastigheterna för spänningsändring, är den utstrålade radio- frekvensenergi som är förbunden med de övertoner som oundgäng- ligen föreligger.

Ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en omformare, som arbetar på mera sinusformigt sätt, för att sålunda undvika de ovan beskrivna nackdelarna och fortfarande uppnå den nöd- vändiga styrningen av utspänningen.

Fig. 3 visar en utföringsform av uppfinningen, som utnyttjar en enkel form med parallellkopplad belastning. Anordningen har en resonanssvängningstankkrets, bestående av en induktans Ll, som är seriekopplad med en kondensator C3 över matningskon- takterna. Såsom visas, kan matningskontakterna vara uttagen från en glättningskondensator C8, som är kopplad till utgången från enlikriktarbrygga 16, vars ingång är ansluten till växel- strömsnätets kontakter 15. Vid tankkretsens frekvens (lämpligen kHz) är glättningskondensatorns reaktans försumbar, så att även om kondensatorns C3 och induktansen Ll är seriekopplade över källan, de effektivt bildar en parallell avstämd krets vid sin resonansfrekvens.

En belastningskrets RL är parallellkopplad med induktansen, medan en transistor T2 i serie med en diod D2 är parallellkopp- _, . ___ -..__.._.._.__._.___ ..__...,,. 7:8Û7118-Û lade med kondensatorn G3. Dioden säkerställer att transistorn icke kan förspännas i.backriktningen, även om punkten A, näm- ligen föreningspunkten mellan kondensatorn och induktansen, blir negativ.

Belastningen RL kan vara representerad av primärlindningen på en transformator, som är parallellkopplad med induktansen Ll, eller kan vara den reflekterade impedansen över Ll på grund av en belastad sekundärlindning, som är magnetiskt kopp- lad med Ll. Med andra ord kan Ll vara primärlindningen på en transformator, vars sekundärlindning är ansluten till en be- lastning, exempelvis en likriktare, som är kopplad för att ladda ett sekundärbatteri. Verkan av denna belastning är att dämpa egensvängningarna i tankkretsen genom att utta energi från denna.

Funktionen är följande i beaktande av att kondensatorn C3 ur- laddas vid början av matningen. Transistorn T2 tänds, varvid energi överförs från källan till induktansen. Ström ökas i in- duktansen med en hastighet, som bestäms av induktansens värde och matningsspänningen. Efter ett förinställt intervall släcks transistorn Tl. Den ström som flyter i induktansen överförs nu till kondensatorn C3 och potentialen vid punkten A stiger si- nusformigt. Fig. 4 visar vågformen. Förutsatt att RL icke be- lastar den avstämda kretsen starkt, beskriver punkten A en svängningsbana som visas. Avvikelserna över och under noll be- ror på två faktorer, nämligen dämpningsverkan av belastningen och den energi som matas in i systemet i den period under vil- ken transistorn T2 leder. Denna period är variabel och under styrning av ett återkopplingssystem kan sålunda svängningsampli- tuden styras för att ta hänsyn till belastninqs- och matnings- variationer. Det bör observeras att ledning i transistorn en- dast initieras, när spänningen över den är noll eller nära noll (denna bestäms av en avkänningskrets, som kan ha olika, i och för sig kända former, exempelvis såsom beskrivs senare under hänvisning till fig. 7. Vid slutet av ledning bestäms dessutom spänningens stighastighet av laddningstiden hos kon- densatorn C3 i förbindelse med den sæöm som flyter i både in- '7807118-0 duktansen Ll och belastningsmotståndet RL. Det ovan nämnda, höga förlusttillståndet undviks sålunda.

Om RL skulle kortslutas, skulle svängningen upphöra och på grund av verkan av den ovan nämnda avkänningskretsen skulle transistorn T2 icke tändas. Vid avlägsnande av kortslutning- en kan svängningar åter påbörjas på ett antal alternativa sätt.

Fig. 5 visar en push-pullversion av det ovan beskrivna, och fig. 6 illustrerar vâgformen.

Kretsen har ett par matningskondensatorer Cl och C2, som är seriekopplade över matningskontakterna ll och 10, och ett par transistorer Tl och T2, vilka vardera är seriekopplade med en diod Dl eller D2, ävenledes seriekopplade över matnings- kontakterna. En induktans Ll parallellt med (eller effektivt parallellt med) ett belastningsmotstånd RL är ansluten mel- lan kondensatorernas Cl och C2 föreningsnunkt och förenings- punkten mellan transistorn Tl och dioden D2. För att full- borda tankkretsen är en kondensator C3, som är shuntad med ett motstånd Rl, ansluten genom en triak Xl över transis- torn Tl och dioden D2. Push-pullkretsen arbetar på likartat sätt som den i fig. 3 och 4 visade men givetvis med två led- ningstider per period i stället för i en, såsom anges i fig.6.

Triaken X1 är anbragt för att initiera svängningar._Kondensa-' torn C3, som urladdas genom motståndet kl, laddas när triaken tänds till ledning och svängningar börjar. På grund av de höga frekvenser som föreligger skulle det vara nödvändigt att åter- tända triaken under normal drift.

Låsdioder D3 och D4, som visas i.fig. 5, är anslutna mellan var och en av matarskenorna och en lämplig uttagspunkt på in- duktansen Ll. Dessa dioder begränsar den spänning som uppträ- der över induktansen Ll och därför transistorerna Tl och T2 till förutbestämt, säkert värde, om en öppen krets uppträder vid omformarens utgång eller under initiering av kretssväng- ningar. 7807118-0 De omkopplingsanordningar som ovan angetts har illustrerats såsom transistorer men kan vara valfria, elektroniska omkopp- lingsanordningar, såsom tyristorer av olika typer, etc.

En startkrets, som innehåller en tyristor Thl, vilken är pa- rallellkopplad med en motkopplad diod 93, såsom visas i fig. 7, kan användas för att ersätta triaken Xl i fig. 5. Funktionen av denna startkrets beskrivs senare.

Fig. 7 visar mer detaljerat en anordning, som är likartad med den i fig. 5 visade. Kondensatorerna Cl och C2 visas sålunda till höger i figuren, seriekopplade över effektkällans kon- takter 10 och ll. På likartat sätt visas transistorerna Tl och T2 vardera i serie med en diod Dl eller D2, seriekopplade med varandra över samma par av kontakter, medan föreningspunk- ten mellan transistorerna och föreningspunkten mellan konden- satorerna är anslutna genom índuktansen Ll, vilken är shuntad av ett motstånd RL, som enligt ovan kan vara aiprimärlindning på en transformator eller en lindning, som är induktivt kopp- lad med induktansen Ll.

Kondensatorerna Cl och C2 delar matningsspänningen, varvid mot- stânden R3 och R4 tjänar till att kompensera olika läckström- mar, så att potentialen vid föreningspunkten mellan Cl och C2 med avseende på den jordade kontakten 10 är halva potentialen vid kontakten ll. Induktansen Ll och en kondensator C3 bildar en avstämd tankkrets. Effekt matas till tankkretsen av den al- ternerande ledningen i transistorerna Tl och T2, varvid dio- derna Dl och D2 hindrar backström genom transistorerna.

Det anses att återstoden av kretsen kommer att vara uppenbar genom schemat tillsammans med följande beskrivning av dess funktion.

Start uppnås genom tändning av en tyristor Thl. Såsom ovan be- shdvits avkänner ett logiksystem till vänster i schemat poten- tialen vid punkten P. Om denna är negativ i förhållande till ledningen 10, initieras drivkretsen till transistorn T2, medan, 78-.97118--0 om punkten A är positiv i förhållande till ledningen ll, driv- kretsen till transistorn Tl initieras. Från början är omkopp- laren S1 öppen, tyristorn Thl är oledande, kondensatorn C3 laddas via ett motstånd Rl och induktansen Ll, så att dess bottenbelägg är positivt i förhållande till punkten A. En kon- densator C4 laddas även via motstånd Rl och R2. Slutning av omkopplaren S1 (som kan utföras manuellt eller elektroniskt) tänder tyristorn Thl, varvid bottenbelägget i kondensatorn C3 jordas. Kondensatorn C4 åstadkommer låsström för tyristorn Thl.

Punkten A drivs sålunda negativt i förhållande till jord, var- vid drivspänning initieras till transistorn T2. Därefter för- blir tyristorn Thl ledande och backströmmar förbikopplas ge- nom en diod D3.

Låsdioder D8 och D9 ingår liksom i fig. 5 för att begränsa den spänning som uppträder över transistorerna Tl och T2 under ini- tiering av kretssvängningar och om en öppen krets uppträder vid omformarens utgång.

Med avseende på logiksystemet används två identiskt lika kret- sar, som åstadkommer drivspänning till var och en av transis- torerna Tl och T2 i tur och ordning. När punkten A sjunker un- der potentialen hos den negativa ledningen 10, flyter ström via ett motstånd R5, en diod D5 och en lysdiod D7. När punkten A stiger över potentialen hos den positiva ledningen ll, flyter ström via motståndet R5, en diod D4 och en lysdiod D6. Lysdio- derna utgör en del av opto-isolatorer, varvid dioden D7 är för- bunden med en transistor Tl0l och dioden D6 med en transistor T 201.

Ledning i transistorn TlOl tänder en transistor TlO2, vars ut- signal differentieras av en kondensator C102 till transistorns Tl03 bas. Den resulterande, negativt riktade pulsen vid kol- lektorn passerar genom en diod Dl02 för att trigga en integre- rad krets ICl, vilken samverkar med ett motstånd VRl och en kondensator C6 till bildande av en taktgivare, vars taktperiod nu börjar. Samtidigt med trigqningen av taktgivaren, triggas en ytterligare, integrerad krets ICl0l, här kopplad såsom en vippa, 7807118-0 av pulsen från transistorns Tl03 kollektor. När utsignalen från den integrerade kretsen IC1 blir "hög", avlägsnas återställ- ningssignalen och triggningen utförs därför direkt av transis- torn Tl03. När utsignalen från den integrerade kretsen ICl0l blir "hög", tänds en transistor Tl04, som strömsätter en pri- märlindning på en transformator TRl, vilken ger basdrivspän- ning till transistorn T2. Med kretsen ICl0l hög, hålls tran- sistorn Tl07 tänd, varvid basdrivspänningen för en transistor Tl06 avlägsnas.

Vid slutet av taktgivarens IC1 taktperiod blir dess utsignal låg varvid den integrerade kretsen ICl0l återställs och bas- drivspänningen avlägsnas från transistorerna T104 och Tl07.

Transistorn Tl06 tänds sålunda, varvid sekundärlindninqen på transformatorn TRl magnetiseras och pâtrycker basdrivspänning i backriktningen på T2, som släcks.

Den krets som är förbunden med drivspänning till transistorn Tl fungerar på identiskt lika sätt, och initieras av opto- isolatorn, bestående av dioden D6 och transistorn T20l (andra motsvarande komponenter har nummer i 200~serien i stället för 100-serien). Det bör observeras att gemensamma taktgivnings- komponenter, dvs. VRl, R7, C6 och IC1 används för båda kret- Sarna .

Det bör vidare observeras att taktperioderna börjar, när po- tentialen vid punkten A blir mer positiv än den positiva led- ningen ll eller mer negativ än den negativa ledningen 10, men på grund av dioderna D5 och D6 kan effekt endast överföras från källan till taktkretsen, när potentialen åter har passe- rat genom potentialen för denna ledning och den motsvarande transistorn och dioden blir förspända i framriktningen. Kret- sen är sålunda i stor utsträckning självreglerande under till- stånd med konstant belastning och matningsspänning. Eventuell ökning i svängningsamplituden kommer att reducera ledningsti- den och följaktligen energiöverföringen och omvänt.

Uteffekten kan varieras genom justering av det vafiabla mot- 7so711s~o* ståndet VRl för att variera resistansen hos taktgivaren ICl med motstånd och kondensator.

I anordningarna enligt fig. 3 till 7, med belastningen paral- lellkopplad med tankkretsens induktans, åstadkoms styrning ge- nom ökning eller minskning av amplituden hos tankkretsens sväng- ningar. Om belastningen är ett batteri, måste amp1ituden-vari- era i beroende av batteriets laddningstillstând och sålunda dess kontaktspänning. Om spänningen tillåts stiga över den positiva skenan eller falla under den negativa, uppnås detta ändamål. Detta framtvingar användning av kopplingsanordningar, med märkvärde för att motstå spänningar, som är avsevärt hög- re än nätspänningen.

I den i fig. 8 visade kretsen är helt andra förhållanden till- lämpliga. Spänningsavvikelsen i punkten A begränsas till matar- skenorna av dioderna D9 och D10, med belastningen illustrerad av en transformator, som är seriekopplad med tankkretsens in- duktans. Tankkondensatorn C3 är parallellkopplad med kombina- tionen.

Fig. 9 visar den ekvivalenta kretsen under ledning av den ena eller andra av omkopplingstransistorerna, vid användning för laddning av ett batteri, varvid laddningsspänningen, visad så- som VL, givetvis är den reflekterade spänning som uppträder över transformatorns primärlindning från det aktuella batteri som är kopplat över den likriktade, sekundära utgången. R be- tecknar systemresistansen, som kan försummas.

Fig. 10 visar den ekvivalenta kretsen under omkopplingstran- sistorernas oledande tidsperioder._ Med transistorn T2 ledande, kommer sålunda ström IL att stiga i induktorn Ll, linjärt och med en hastighet som bestäms av skillnaden mellan V/2 och den reflekterade belastningsspän- ningen samt kretskonstanterna. Efter en given tid upphör tran- sistorns ledning och potentialen vid punkten A stiger sinus- formigt mot den positiva matningsledningen. Det antas att till- 7807118-0 11 räcklig energi har tillförts under ledningen av en anordning, för att säkerställa att punkten A uppnår potentialen hos den motsatta skenan, när eller innan strömmen i tankkretsen sjun- ker till noll. Vid noll leder den andra anordningen omedelbart och punkten A uppnår skenpotentialen men om spänningen icke är noll, kommer ström från början att ledas tillbaka till nätet via parallelldioden, varvid transistorn tänds. Belastnings- ström, dvs. tankströmmen, kan styras genom variation av om- kopplingsanordninqarnas ledningstider. Fig. ll illustrerar vågformerna för spänning och ström hos tankströmmar vid rever- sering, och fig. 12 visar samma vågformer för üllstånd skilda från noll.

Claims (18)

7sn711ß«0 12 Patentkrav

1. Lik-växelspänningsomformare, innefattande en likströmsingång med anslutningar för en likspänning samt en oscillatortankkrets, som innefattar åtminstone en kondensator och en induktans och som är ansluten till en belastning, k ä n n e t e c k n a d av att en omkopplingskrets innefattar åtminstone en solid state-omkopplare, som är ansluten i serie med oscillatortankkretsen med induktansen ansluten över likspänningsanslutningarna, varjämte medel är anord- nade för synkronisering av omkopplingskretsen med tankkretsens sväng- ningar samt att synkroniseringsmedlen är anordnade att påverka omkopplingsanordningen att inta ett icke-ledande tillstånd och till- låta tankkretsen att svänga fritt under en del av en cykel för att därvid överföra energi från induktansen till kondensatorn, varvid den senare laddas till en viss nivå, vid vilken spänningen över in- duktansen är stor i förhållande till spänningen över omkopplingsan- ordningen, som därvid är försumbar, varjämte omkopplingsanordningen därvid bringas att intaga ett ledande tillstånd för att ansluta in- duktansen över likspänningsanslutningarna, varvid denna mottager och lagrar energi från likspänningskällan. ,

2. Omformare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att omkopplingskretsen innehåller en solid state-omkopplingsanordning i serie med en diod.

3. Omformare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att omkopplingskretsen innehåller en solid state-omkopplingsanordning, parallellkopplad med en diod. s

4. Omformare enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d av att tankkretsen innehåller en induktans, som är seriekopplad med en kondensator över likspänningskällan, och om- kopplingskretsen är parallellkopplad med kondensatorn. 7sn711s-o 13

5. - Omformare enligt något av patentkraven 1 till 3,av push-pulltyp, k ä n n e t e c k n a d av ett par matnings- kondensatorer, som är seriekopplade med varandra över likspän- ningskällan, ett par solid-state omkopplingsanordningar, var och en i serie med en diod, ävenledes seriekopplade med varand- ra över källan, varvid induktansen i tankkretsen är ansluten mellan matningskondensatorernas föreningspunkt och omkopplings- kretsarnas föreningspunkt.

6. Omformare enligt något av patentkraven l till 3 av push- pulltyp, k ä n n e t e c k n a d av ett par matningskondensa- torer, som är seriekopplade med varandra över likspänningskäl- lan, samt ett par solid-state omkopplingsanordningar, vardera parallellkopplad med en diod och ävenledes seriekopplade med varandra över källan, varvid induktansen i tankkretsen är anslu- ten mellan matningskondensatorernas föreningspunkt och omkopp- Klingskretsarnas föreningspunkt.

7. Omformare enligt patentkravet 5 eller 6, k ä n n e - t e c k n a d av att kondensatorn i tankkretsen är ansluten mellan omkopplingskretsarnas föreninqspunkt och en eller var- dera av källkontakterna.

8. Omformare enligt patentkravet 5 eller 6, k ä n n e - t e c k n a d av att tankkretsen är parallellkopplad med in- duktansen.

9. Omformare enligt något av patentkraven 5 till 8, k ä n - n e t e c k n a d av att kondensatorn i tankkretsen är shuntad av ett motstånd.

10. l0. Omformare enligt något av patentkraven 5 till 9, k ä n - n e t e c k n a d av att kondensatorn i tankkretsen är serie- kopplad med en solid-state omkopplinqsanordning för att starta svängning.

11. ll. Omformare enligt något av föregående patentkrav, k ä n - n e t e c k n a d av att belastningskretsen är ansluten eller kopplad till tankkretsen parallellt med induktansen.

12. Omformare enligt patentkravet ll, k ä n n e t e c k n a d av att belastningskretsen är ansluten till en sekundärlindning på en transformator, som har en primärlindning parallellt med induktansen i tankkretsen. 78071 18-0 14 t

13. l3. Omformare enligt patentkravet ll, k ä n n e t e c k - n a d av att belastningskretsen är ansluten till sekundär- lindningen på en transformator, hos vilken tankkretsens induk- tans bildar en primärlindning.

14. Omformare enligt något av patentkraven l till ll, k ä n ~ n e t e c k n a d av att belastningskretsen är kopplad eller ansluten till tankkretsen i serie med induktansen.

15. Omformare enligt patentkravet 14, k ä n n e t e c k - n a d av att belastningskretsen är ansluten till sekundärlind- ningen på en transformator, som har en primärlindning i serie med tankkretsens induktans.

16. Omformare enligt något av föregående patentkrav, k ä n - n e t e c k n a d av att tankkretsens frekvens är åtminstone l kHz. l

17. Omformare enligt patentkravet 16, k ä n n e t'e c k n a d av att tankkretsens frekvens är av storleksordningen 25 kHz.

18. Omformare enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d av att en likriktare är anordnad för matning av likspänningsanslutningarna från en växelspänningskälla. 19.' Omformare enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d av att belastningen innefattar ett batteri, som är anslutet till en transformators sekundärsida, medan primärsidan är ansluten till oscillatorkretsen.