SE509375C2 - Förfarande och anordning för att med avrundat strömförlopp styra ett halvledarorgan samt användning av anordningen för spänningspulstidrelaterad effektstyrning - Google Patents

Description

509 375 10 15 20 25 30 35 är synnerligen väl lämpad för styrning av låga ef- fektnivàer, såsom upp till ett antal hundra watt, typiskt upp till cirka l/2 kilowatt; ger mycket god undertryckning av störkomponenter; kan implementeras medelst en mycket enkel och billig kretslösning; möjliggör enkel effektfaktorstyrning; och är föga känslig för driftstörningar i matnings- spänningen och lasten.

Sammanfattning av uppfinningen Ovannämnda syfte uppnås genom förfaranden och en an- ordning som uppvisar de i bifogade patentkraven angivna särdragen.

Till grund för uppfinningen ligger sålunda en insikt om att det primära icke är att noggrant styra styrsignal- rampernas lutning, utan att det åstadkomna strömförloppet skall styras så att abrupta strömändringar, såsom vid övergång från/till strömnollnivå respektive den nivå som svarar mot full strömledning, undvikes, dvs så att ström- förloppet där blir avrundat.

Vad gäller de styrda tillslag- respektive frånslags- förloppen innebär detta att de med fördel bringas att va- ra allmänt S- respektive omvänt S-formiga.

Enligt uppfinningen har det befunnits vara fördelak- tigt att åstadkomma "avrundning" enligt ovan genom att utnyttja en snabb, dvs direkt strömrelaterad motkoppling av det utnyttjade halvledarorganet. Sålunda utnyttjas fö- reträdesvis en av strömmen genom halvledarorganet alstrad motkopplingsspänning som appliceras direkt på halvledar- organets styringång tillsammans med den effektstyrande rampkantsförsedda styrsignalen.

Det har visat sig att en motkoppling av nämnt slag utöver att ge den önskade avrundningen av strömkurvan vid nollnivå respektive nivå svarande mot fullt ledande halv- ledarorgan också i sig innebär dels ett skydd mot skadli- ga strömrusningar genom halvledarorganet, dels ett effek- tivt sätt att undvika att ändringar i matningspänning 10 15 20 25 30 35 509 575 och/eller last ogynnsamt påverkar effektstyrningen eller störkomponent under tryckningen. Detta blir särskilt gynnsamt vid matning från ett transientrikt nät.

I enlighet med uppfinningen har det sålunda visat sig enkelt att förhindra att störande strömkomponenter med frekvenser över cirka 150 kHz alstras i nämnvärd el- ler besvärande omfattning.

Ovannämnda förhållanden har vidare visat sig göra det möjligt att utnyttja ett enda halvledarorgan i en synnerligen enkel krets, vilken dessutom lämpar sig väl för styrning med utnyttjande av en förprogrammerbar mikroprocessor, såsom kommer att framgå tydligare nedan.

Enligt uppfinningen är halvledarorganet med fördel av typ spänningsstyrd strömgenerator, typiskt ett FET- halvledarelement.

Ehuru uppfinningen utan vidare kan utnyttjas vid ef- fektmatning från en likspänningskälla, är dess primära användning vid matning från ett växelspänningsnät, vanli- gen det normala växelspänningsnätet. Uppfinningen har dock visat sig ge önskade resultat även vid matning från en källa med väsentligt högre frekvens, såsom flera kHz.

Vid matning från en växelspänningskälla matas halv- ledarorganet enligt uppfinningen företrädesvis med en ef- ter likriktning erhállen pulserande likspänning, såsom en helvågslikriktad spänning. Härigenom framhävs det fördel- aktiga i att utnyttja ett enda halvledarorgan, såsom om- nämnts ovan.

Såsom vidare omnämnts lämpar sig föreliggande upp- finning för utnyttjande i samband med mikrodatorbaserad styrning. Detta gäller särskilt med tanke på svårigheter önskad effekt- liksom vid som kan uppträda vid ändring av inställd, nivå, speciellt vid start, eller avstängning, icke-resistiv last.

En i utnyttjad styrenhet ingående mikrodator kan så- lunda med fördel vara programmerad för att ombesörja ef- fektändring och effektfaktorkorrigering på ett enkelt och effektivt sätt. 5Û9 375 4 10 15 20 25 30 35 Vid effektändring, speciellt start av effektmatning- en, kan mikrodatorn sålunda successivt genomföra ändring- en genom att under på varandra följande styrperioder (dvs matningsspänningspulser) successivt ge ändrade, för ef- fekten avgörande tillslags- och frånslagstidpunkter för halvledarorganet. Vid t ex start innebär detta att ström- förloppet genom halvledarorganet "smygs" igång, dvs blir extra mjukt. Detta kan ha särskilt stort värde om till- slag sker vid nollvärde hos en matningsspänningspuls och icke-resistiv last innebär att strömmen strävar efter att ligga 90° före spänningen, dvs då i ett normalfall ström- men skulle initialt bli oacceptabelt hög.

Vid effektfaktorkorrigering kan mikrodatorn också ändra tidpunkterna för halvledarorganets tillslag och frànslag, så att strömmen under respektive matningsspän- ningspuls fördelas på gynnsammaste sätt relativt pulsmit- ten för att effektfaktorn skall bli så nära l som möj- ligt.

För att möjliggöra mikrodatorbaserad styrning enligt ovan detekteras enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen hur strömmängden fördelar sig under en spän- ningsmatningspuls med avseende på pulsmitten, liksom den sammanlagda strömmängden under pulsen.

Strömfördelningen kan med fördel detekteras genom att strömmens nivå samplas upprepat under matningsspän- ningspulsen, varvid samplingsvärdena summeras i mikroda- torn för respektive hälft av matningsspänningspulsen. En i mikrodatorn utförd jämförelse mellan de sålunda erhåll- na summavärdena ger mikrodatorn ledning för ändrande av placeringen av strömledningsintervallet (dvs intervallet mellan styrt tillslag och frånslag) under kommande mat- ningsspänningspulser. Efter en eller flera sådana änd- ringar har det visat sig att man som regel uppnår bästa tänkbara likformiga strömfördelning runt matningsspän- ningspulsens mitt, så att effektfaktorn närmar sig l.

För att tillfredställande detektera den aktuella, till lasten matade effekten, har det befunnits vara till- 10 15 20 25 30 35 509 575 räckligt att bestämma den strömmängd som finns under en matningsspänningspuls, dvs helt enkelt summan av de två ovannämnda samplade strömsummavärdena. Den sålunda er- hållna, jämföras med ett däri lagrat, mot inställd önskad effekt effektrelaterade strömsumman kan i mikrodatorn svarande börvärde för strömsumman. I beroende av jämfö- relsen ändras strömledningsintervallet, dvs detta ökas om effekten skall ökas och minskas om effekten skall mins- kas. Detta styrförlopp innebär sålunda att spänningen över lasten, som naturligtvis tillsammans med strömmen genom lasten påverkar den tillförda effekten, icke behö- ver särskilt detekteras och beaktas.

Såsom inses kommer effektfaktorkorrigering att kunna påverka den erhållna matningseffektnivån. Ovannämnda båda styrförlopp bör därför med fördel kombineras. Det har härvid befunnits vara lämpligt att utföra effektfaktor- styrningen med längre tidsintervall än själva effektstyr- ningen, typiskt under var tionde matningsspänningspuls, under det att effektstyrningen sker under varje matnings- spänningspuls.

Uppfinningen kommer i fortsättningen att beskrivas närmare genom icke begränsande utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritning.

Kort beskrivning av ritningarna Fig. 1 är ett schematiskt blockschema som illustre- rar ett grundutförande av föreliggande uppfinning.

Fig. 2 är ett schematiskt kurvschema som illustrerar ett möjligt funktionssätt hos en krets enligt Fig. l.

Fig. 3 är ett schematiskt kretsschema inbegripande en utföringsform av en anordning enligt uppfinningen.

Fig. 4 är ett schematiskt kurvschema som illustrerar funktionssättet hos kretsen enligt Fig. 3.

Fig. 5 är ett schematiskt kretsschema inbegripande en annan utföringsform av en anordning enligt uppfinning- en.

Fig. 6 är ett schematiskt kurvschema som illustrerar funktionssättet hos kretsen enligt Fig. 5. 509 375 6 10 l5 20 25 30 35 Fig. 7 är ett schematiskt kretsschema inbegripande ännu en utföringsform av en anordning enligt uppfinning- en.

Fig. 8 är ett schematiskt kretsschema inbegripande ytterligare en utföringsform av en anordning enligt uppfinningen.

Fig. 9 är ett schematiskt flödesschema som ytterli- gare illustrerar funktionssättet hos kretsen enligt Fig. 7.

Fig. 10 är ett schematiskt flödesschema som illust- rerar hur strömsampling kan utnyttjas i samband med ett funktionssätt enligt Fig. 9.

Beskrivning av utföringsformer Den i Fig. l visade kretsen, som illustrerar en grundläggande utföringsform av uppfinningen, inbegriper en matningsspänningskälla l, till vars utgång en last 3 är ansluten i serie med en effektregleringsanordning 5.

Anordningen 5 innefattar en fälteffekttransistor (FET) 7, är ansluten till ena si- vars ena huvudelektrod 8 (drain) dan av lasten 3 och vars andra huvudelektrod (source) 9 är ansluten till spänningskällan l via ett motkopplings- motstånd ll. En styrenhet 13 har en styrpulsutgàng, vars ena anslutning är ansluten till transistorns 7 styrelek- trod den sida av motståndet ll, (gate) 10 och vars andra anslutning är ansluten till som är ansluten till spän- ningskällan l. Styrenheten har en ingång 15 för inställ- ning av önskad effektnivà Pw,, dvs antingen för mot- tagning av en börvärdessignal eller för exempelvis manuell inställning av börvärdet, såsom medelst en poten- tiometer eller dylikt. Genom en ledning l7 spänningsmatas styrenheten, samtidigt som detektering i styrenheten av nollgenomgångar hos matningsspänningen (vid pulserande matningsspänning) möjliggörs. Av styrenheten avgivna styrpulser alstras över en kondensator 18, som uppladdas respektive urladdas via ett motstånd l9.

Ett typiskt arbetssätt hos kretsen enligt Fig. l i enlighet med uppfinningen kommer nu att beskrivas under 10 15 20 25 30 35 509 375 hänvisning till Fig. 2, som visar exemplifierande typiska kurvförlopp för matningsspänningen Um från spänningskäl- lan 1, strömmen Il genom lasten 3, transistorn 7 och mot- ståndet 11, reglerspänníngen Ug, och styrspänningen Ug för transistorn. Um antages vara en pulserande, från nätet helvågslikriktad matningsspänning 20 och lasten 3 anses vara rent resistiv. U, är en periodisk fyrkantpuls, vars längd under en matningsspänningspuls är relaterad till Pm, i enlighet med ett fastlagt förhållande.

Styrenheten 13 detekterar varje nollgenomgång hos Un och utlöser en reglerpuls 21 vid varje sådan nollgenom- gång. Reglerpulsen appliceras på kondensatorn 18 via mot- ståndet 19, varvid spänningen Ug över kondensatorn börjar öka enligt en sedvanlig RC-uppladdningskurva 23. U, och RC-tidskonstanten är så valda att Ug strävar mot en sådan spänningsnivå 24 att nivån 25 som svarar mot full ledning hos transistorn 7 överstiges, ehuru med ett framkantsför- lopp hos kurvan 23 som har klar RC-kurvkaraktär. Då reg- lerpulsen 21 upphör, sker en motsvarande urladdning av kondensatorn 18, dvs Ug faller tillbaka till noll ävenle- des enligt en sedvanlig RC-urladdningskurva 26.

Det resulterande strömförloppet visas av kurvan In där det streckade kurvförloppet 27 visar det strömförlopp som skulle erhållas vid ständigt ledande transistor och resistiv last.

Den faktiska strömmen börjar flyta vid tidpunkten to, dvs den börjar öka från strömnollnivån, men ökar in- ledningsvis mycket mjukt, dvs väl avrundat i området 29 tack vare kombinationen av rampstyrning och snabb, direkt strömmotkoppling, vilken senare ges av den spänning som strömmen I alstrar över motståndet 11.

Vid tidpunkten tl har transistorn bibringats full ledning och strömmen I når den streckade kurvan. Även i detta område 30 fås ett mjukt, avrundat övergångsförlopp tack vare kombinationen av det speciella framkantsförlop- pet och motkopplingen. 509 575 8 l0 15 20 25 30 35 Strömmen följer, såsom fackmannen utan vidare inser, därefter den streckade kurvan 27 fram till nästa över- gångsområde 31, då strömmen skall börja återgå till noll- nivå för att den önskade effekten skall uppnås. Vid tid- punkten tg upphör U, och kondensatorn börjar urladdas. Vid tidpunkten tg passerar Ug nivån för full ledning och strömmen börjar avtaga mycket snabbare än enligt kurvan 27. Tack vare strömmotkopplingen fås dock inte en abrupt strömändring utan även här ett mjukt, avrundat ström- kurvförlopp.

Strömmen faller därefter snabbt för att i övergångs- området 32 återgå till nollnivån. Denna sista del av strömkurvan blir också mycket väl avrundad tack vare kom- binationen av RC-kurvstyrningen och strömmotkopplingen.

Hela förloppet upprepas därefter under nästa matnings- spänningspuls 20, eventuellt med ändrad längd på regler- pulsen 21, om ändrad effektnivå önskas.

I Fig. 2 har sinusformigt matningsspänningsförlopp visats. Fackmannen inser dock att detta icke alls är en förutsättning för det mjukt avrundade strömförlopp som enligt uppfinningen ger mycket låg nivå på störande hög- frekvenskomponenter. Speciellt innebär den utnyttjade motkopplingen att exempelvis störningar eller transienter på matningsspänningen icke kommer att kunna ge besvärande störningar i strömförloppet, eftersom sådana direkt mot- verkas av den snabba strömmotkopplingen.

I Fig. 3 visas utförligare hur en enkel, manuellt inställbar effektregleringskrets inbegripande en ut- föringsform av uppfinningen kan byggas upp. En till ett vanligt växelspänningsnät 33 ansluten helvågslikriktare 35, som avger en pulserande matningsspänning Um, matar en lampa 37 som är seriekopplad med en FET 7 med tillhörande motkopplingsmotstånd ll.

En styrenhet 39 inbegriper såsom i Fig. l en konden- sator 18 och tillhörande motstånd 19. Kondensatorn är här ansluten till transistorns styrelektrod 10 via ett skyddsmotstånd 40. Motståndet 19 är på sin ingångssida 10 15 20 25 30 35 9 509 575 anslutet till den inverterade utgången på en reglerpuls- avgivande Schmitt-trigger 41, vars ingång via en diod 42 är ansluten till den inverterade utgången på en andra Schmitt-trigger 43, som utnyttjas för att detektera spän- ningsnollgenomgångar och vars ingång är ansluten till matningsspänningen via en spänningsdelare bestående av två motstånd 44, 45. En kondensator 47 med ett paral- lellkopplat reglerbart motstånd 48 är anslutet över ingången till Schmitt-triggern 41. En konventionellt ut- förd krets 49 är ansluten till matningsspänningen för att ge likspänning Vcc till Schmitt-triggerkretsarna 41,43.

Arbetssättet för ovannämnda krets är som följer, varvid även hänvisas till fig. 4, som illustrerar de olika spänningsförloppen och strömförloppet i kretsen. Önskad effektnivå inställes med hjälp av det reglerbara motståndet 48. Schmitt-triggern 43 detekterar spän- ningsnollgenomgångarna och laddar vid varje sådan upp kondensatorn 47 med en mycket kort puls. Spänningen Uc över kondensatorn 47 urladdas genom motståndet 48 under en tid som bestäms av motstàndsinställningen. Vid tid- punkten tl är kondensatorspänningen Ucnoll, varvid Schmitt-triggern 41 triggas att under resten av ifråga- varande spänningspuls avge en rektangulär reglerpuls 51, vilken på samma sätt som pulsen 21 i kretsen enligt Fig. 1 och 2 ger en rampkantsförsedd transistorstyrpuls Ug med åtföljande strömpuls med mjukt avrundad kurvform.

I förloppet enligt Fig. 2 sker effektstyrningen genom att transistorn bringas att från en nollgenomgång leda under ett därpå följande tidsintervall, som innebär att önskade effektnivå erhålls, varvid transistorn brin- gas att vara oledande under resten av matningsspännings- pulsen.

I Fig. 3 är förhållandet det motsatta, bär att strömpulserna i de båda fallen kommer att i prin- I Fig. 3 kommer strömpulsens bakkantsförlopp att i hög grad följa vilket inne- cip bli spegelvända i förhållande till varandra. förloppet för den avtagande matningsspänningspulsen (enär 509 375 10 15 20 25 30 35 10 lasten är resistiv), varför styrspänningens Ug avkling- ning blir av mindre betydelse. Dock kommer den inbyggda motkopplingen att säkerställa den mjukt avrundade över- gången till nollvärde på strömmen.

I Fig. 5 illustreras en utföringsform av en likspän- ningsmatad, manuellt inställbar effektregleringskrets in- begripande föreliggande uppfinning. Den grundläggande uppbyggnaden liknar den i Fig. 3, varför endast väsent- liga avvikelser kommer att beskrivas.

RC-kombinationen 19, en självsvängande vippa med reglerbar pulskvot. Vippan 18 matas med reglerpulser från utgörs av en Schmitt-trigger 51 med inverterad utgång, varvid ett motstånd 52 är anslutet parallellt över Schmitt-triggern och en kondensator 53 är ansluten över Schmitt-triggerns ingång. Schmitt-triggerns arbetspunkt kan förskjutas, och därmed pulskvoten ändras, medelst en spänningsmatad potentiometer 55, vars rörliga kontakt 56 är ansluten till Schmitt-triggerns 51 ingång via ett mot- stånd 57. Vippans arbetsfrekvens kan typiskt vara något eller några hundratal Herz.

I Fig. som erhålls i kretsen enligt Fig. 5. Såsom torde utan 6 illustreras schematiskt typiska kurvfölopp vidare inses kommer den till lasten överförda effekten att vara direkt beroende av pulskvoten, dvs själva reg- lerpulsens 59 längd.

I Fig. 7 illustreras schematiskt en utföringsform av en mikrodatorstyrd effektregleringskrets som med fördel även kan utnyttjas för en icke-resistiv last, vilken krets inbegriper föreliggande uppfinning. Lasten 63 är ansluten till en växelspänningskälla 65 via en seriekom- bination av en FET 7 och ett motkopplingsmotstånd ll och med utnyttjande av fyra likriktande dioder Dl, D2, D3, D4 på ett sådant sätt att all ström flyter ensriktat genom seriekombinationen 7, ll men dubbelriktat genom lasten 63. Styrenheten innefattar en mikrodator 67, vilken har en reglersignalutgång 68 för utmatning av en reglerpuls, vilken såsom tidigare matar en RC-kombination 19, 18 för 10 15 20 25 30 35 11 509 575 applicering av en styrspänning Ug på transistorns 7 styr- elektrod 10 via ett skyddsmotstànd 40. Mikrodatorn har en spänningsavkännande ingång 69 ansluten till en av två motstånd 71, 72 bestående, spänningsdelare. Denna spänningsavkänning möjliggör de- till nätspänningen ansluten tektering i mikrodatorn av matningsspänningens nollgenom- gångar. Mikrodatorn 67 har vidare en ingång 73 ansluten till förbindningspunkten mellan transistorn 7 och mot- ståndet ll, motståndet proportionell spänning alstrad över motståndet så att en mot strömmen genom transistorn och kan avkännas av mikrodatorn och därigenom värdet på strömmen kan bestämmas i varje ögonblick. En krets 74 är såsom tidigare anordnad för spänningsmatning Vcc av själva mikrodatorn.

En på lämpligt sätt utformad krets 75, t ex en po- tentiometerbaserad krets eller en på så kallad touch- styrning baserad krets av i och för sig känt slag, ger en Pm,-signal på en börvärdesingång på mikrodatorn.

Den förprogrammerade mikrodatorn detekterar sålunda spänningsnollgenomgàngarna och använder dessa som rikt- fas. I beroende av inmatat effektbörvärde bestämmer mik- rodatorn lämplig tillslagstidpunkt respektive frånslags- tidpunkt (relativt detekterad riktfas) och utmatar en motsvarande reglerpuls på utgången 68. I samband med stora ändringar i önskad effekt, start från ett nollvärde, kan mikrodatorn vara programme- rad att successivt ändra effekten tills den nått önskad för transistorn såsom vid nivå.

För bestämning av rådande effektnivå använder mikro- datorn den på ingången 73 mottagna, mot strömmen svarande signalen, vilken samplas upprepat för åstadkommande av ett strömsummavärde, vilket visat sig kunna med god nog- grannhet användas såsom ett värde på effekten utan att behöva dessutom relateras till spänningsförloppet. Ström- summavärdet kan enkelt jämföras med i mikrodatorn lagrade, mot olika effekter svarande strömsummavärden. 12 509 375 10 15 20 25 30 35 Strömsamplingen innebär vidare att mikrodatorn en- kelt kan detektera avvikelser från en önskad effektfaktor (i regel 1) genom att bestämma fördelningen av strömmen relativt mitten av aktuell spänningshalvperiod, dvs ak- tuell matningsspänningspuls. Mikrodatorn kan därefter än- dra tillslags- och frånslagstidpunkterna för transistorn för att därigenom påverka strömfördelningen relativt halvperiodmitten så att en jämnare fördelning erhålls, varigenom effektfaktorn förbättras. Det inses att denna effektfaktorstyrning kräver att det inte är fråga om full effekt, ligt ledande.

I Fig. 9 och 10 illustreras medelst flödesschemor hur den programbaserade effektstyrningen och effektfak- eftersom i sådant fall transistorn är kontinuer- torstyrningen kan genomföras i mikrodatorn på ett enkelt och fördelaktigt sätt.

Ehuru dessa flödesschemor torde i allt väsentligt tala för sig självt, kan följande korta beskrivning därav ge en förbättrad förståelse, varvid först hänvisas till Fig. 9.

Efter inställning av ett effektbörvärde (block 101) sätter mikrodatorn initiala till- och frånslagstidpunkter för transistorn (block 102) i syfte att åstadkomma en mjuk effektförändring, speciellt önskvärt vid inledande pådrag av effekten, dvs i syfte att åstadkomma en i lagom steg utförd effektändring. Därefter appliceras styrspän- ningspulsen (block 103) med beaktande av den satta till- slagstidpunkten, varigenom ström kan börja flyta genom transistorn och därigenom genom lasten. I och för effekt- och effektfaktorstyrning bestämmer därefter mikrodatorn strömmängden (i princip integrerat strömvärde) dels under tiden från tillslag till spänningspuls- eller spännings- (block 105), dvs Im dels under tiden därefter fram till fránslag, (block 107).

Frànslaget har initierats genom borttagande av styr- spänningspulsen (block 106), även här med beaktande av halvperiodmitt, dvs IM den satta frånslagstidpunkten. 10 15 20 25 30 35 13 509 375 (block 108) vida en effektstyrningsloop (till vänster i Fig. 9) eller en effektfaktorloop (till höger i Fig. 9) skall följas.

Det har visat sig vara lämpligt att följa effektfaktor- Härpå tar mikrodatorn ett beslut huru- loopen periodiskt efter var nzte effektstyrningsloop. n I samband med start kommer såsom inses effektstyrningsloopen att inlednings- kan typiskt vara av storleken 10. vis genomlöpas ett antal gånger i och för ökning av ef- fekten upp till önskad nivå.

I den fortsatta effektstyrningsloopen bestäms det aktuella effektvärdet Pm utgående från summan av IA och IB (block 109), (block 110). till block 103, såsom visas medelst linjen 111.

Om den aktuella effekten är för låg (block 112), drar mikrodatorn till- och frånslagstidpunkterna, så att (block 113), tillslagstidpunkten tidigareläggs och frânslagstidpunkten varefter en jämförelse sker med Pm: Om likhet föreligger går loopen tillbaka än- transistorns ledande tidsintervall ökas dvs senareläggs. Därefter sker återgång till block 103, såsom linjen 114 visar, i och för styrpulsapplicering med de ändrade tillslags- och frånslagstidpunkterna.

Om den aktuella effekten är för hög (block 115), drar mikrodatorn tillslags- och frånslagstidpunkterna i än- motsatt riktning (block 116), varefter återgång sker till block 103, 114.

Om effektfaktorstyrningsloopen skall genomlöpas (block 108), IB med varandra (block 118). Om likhet föreligger 119), datorn direkt kopplar över till effektstyrningsloopen (block 109).

Om IA är större än IB via linjerna 117, jämför mikrodatorn strömmängdvärdena IA och (block är effektfaktorn så bra som möjligt, varför mikro- (block 120), att förskjuta strömmängd från den första spänningspuls- är det önskvärt halvperioden till den andra, vilket mikrodatorn ombesör- jer genom att senarelägga tillslags- och frånslagstid- punkterna (block 121). Därefter sker återgång till block 103 via linjen 122. 14 509.575 10 15 20 25 30 35 Om IA är mindre än IB (block 123), är det önskvärt att genomföra en strömmängdsförskjutning i motsatt rikt- ning, vilket mikrodatorn ombesörjer genom att tidigare- lägga tillslags- och frånslagstidpunkterna (block 124), varefter återgång ävenledes sker till block 103 via lin- jen 122.

I Fig. av flödesschemat i Fig. 9 kan genomföras på ett föredra- 10 illustreras närmare hur den centrala delen get sätt. Detta bygger på upprepad sampling av kontinuer- ligt avkänt analogt strömvärde som inmatas i mikrodatorn.

I denna är för effektstyrningen satt ett digitalt bör- (block 131). behandlingen följer därefter i princip vad som beskrivits värde Ibw för strömsummavärdet Den fortsatta i anslutning till Fig. 9, varför i fortsättningen endast skall beröras sådant som är relevant för den digitala processen.

Vid den upprepade samplingen (typiskt 100 ggr per period) av det detekterade analoga strömvärdet under (blocken 132 och 133) erhålls analoga strömaplitudvärden som analogdigitalom- (blocken 134 och 135). digitala strömvärdena kan typiskt ha en upplösning av 256 transistorns strömledningsintervall vandlas av mikrodatorn De erhållna bitar. Dessa erhållna digitala strömvärden kan, såsom utan vidare inses, av mikrodatorn enkelt summeras (blocken 136 och 137) mängdsvärden IA och IB respektive IA + IB (block 138) för för åstadkommande av önskade ström- jämförelser inbördes och med Im”.

Ehuru dessa flödesschemor torde i allt väsentligt tala för sig självt, kan följande korta beskrivning därav ge en förbättrad förståelse, varvid först hänvisas till Fig. 9.

Efter inställning av ett effektbörvärde (block lOl) sätter mirkodatorn initiala till- och frànslagstidpunkter för transistorn (block 102) i syfte att åstadkomma en mjuk effektförändring, speciellt önskvärt vid inledande pådrag av effekten, dvs i syfte att åstadkomma en i lagom steg utförd effektändring. Därefter appliceras styrspän- 10 15 20 25 30 35 15 509 375 ningspulsen (block 103) med beaktande av den satta till- slagstidpunkten, varigenom ström kan börja flyta genom transistorn och därigenom genom lasten. I och för effekt- och effektfaktorstyrning bestämmer därefter mikrodatorn strömmängden (i princip integrerat strömvärde) dels under tiden från tillslag till spänningspuls- eller spännings- (dvs IA, (block 105), därefter fram till frånslag, dvs Im dels under tiden (block 107). slaget har initierats genom borttagande av styrspän- (block 106), satta frånslagstidpunkten. (block 108) vida en effektstyrningsloop en effektfaktorloop (till höger i Fig. 9) halvperiodmitt, Från- ningspulsen även här med beaktande av den Härpå tar mikrodatorn ett beslut huru- (till vänster i Fig. 9) eller skall följas.

Det har visat sig vara lämpligt att följa effektfaktor- loopen periodiskt efter var nzte effektstyrningsloop. n I samband med start kommer såsom inses effektstyrningsloopen att inlednings- kan typiskt vara av storleken 10. vis genomlöpas i och för ökning av effekten upp till ön- skad nivå.

I den fortsatta effektstyrningsloopen bestäms det aktuella effektvärdet PH utgående från summan av IA och IB (block 109), (block 110). Om likhet föreligger går loopen tillbaka till block 103, såsom visas medelst linjen 111.

Om den aktuella effekten är för låg (block 112), än- drar mikrodatorn till- och frànslagstidpunkterna, så att (block 113), tillslagstidpunkten tidigareläggs och frånslagstidpunkten senareläggs. Därefter sker återgång till block 103, varefter en jämförelse sker med Pm, transistorns ledande tidsintervall ökas dvs såsom linjen 114 visar, i och för styrpulsapplicering med de ändrade tillslags- och frånslagstidpunkterna.

Om den aktuella effekten är för hög (block 115), drar mikrodatorn tillslags- och frånslagstidpunkterna i än- motsatt riktning (block 116), varefter återgång sker till block 103, via linjerna 117, 114. 509 575 10 15 20 25 30 35 16 Om effektfaktorstyrningsloopen skall genomlöpas (block 108), jämför mikrodatorn strömmängdsvärdena IA och (block 118). (block är effektfaktorn så bra som möjligt, varför mikro- IB med varandra Om likhet föreligger 119), datorn direkt kopplar över till effektstyrningsloopen (block 109).

Om IA är större än IB (block 120), att förskjuta strömmängd från den första spänningspuls- är det önskvärt halvperioden till den andra, vilket mikrodatorn ombesör- jer genom att senarelägga tillslags- och frånslagstid- (block 121). 103 via linjen 122. Om IA är mindre än IB Därefter sker återgång till block (block 123), är det önskvärt att genomföra en strömmängdsförskjutning i punkterna motsatt riktning, vilket mikrodatorn ombesörjer genom att tidigarelägga tillslags- och frånslagstidpunkterna (block 124), varefter återgång ävenledes sker till block 103 via linjen 122.

En effektfaktorpåverkande strömmängdsförskjutning av ovan redovisat slag kan såsom fackmannen utan vidare in- ser vara av värde redan då lasten är rent resistiv, t ex då man styr i enlighet med vad som illustreras i Fig. 2.

Om ingen särskild åtgärd vidtages kommer, såsom torde klart framgå, den resulterande strömmängden att ligga med tyngdpunkt under första hälften av spänningspulsen, vil- ket innebär en effektfaktorförskjutning från 1. Återgång till en effektfaktor av ungefär 1 kan då åstadkommas ge- nom en förskjutning i enlighet med uppfinningen av ström- pulsen, så att den fördelas så jämnt som möjligt runt spänningspulsmitten, dvs genom en senareläggning av tid- punkten tnfll och t2 med åtföljande senareläggning ävenle- des av tidpunkterna tl och ty Ett vanligt belastningsfall med icke-resistiv last är ett HF-don till ett lysrör eller liknande. Strömmen ligger i ett sådant fall normalt före spänningen i fas.

Effektfaktorn blir markerat dålig särskilt vid låg last- effekt, typiskt under halv effekt. I ett sådant fall har lO 15 20 25 30 35 17 509 375 effektfaktorstyrning enligt uppfinningen visat sig ge en mycket god förbättring av effektfaktorn.

Det inses att i dessa fall effektfaktorstyrningen kommer att innebära förändringar i den utstyrda effekt- varför den kombinerade effekt- och effektfaktor- styrningen enligt uppfinningen blir särskilt fördelaktig. nivån, Vid styrning i detta sammanhang kommer, på grund av strömmens strävan att ligga ur fas med spänningen, ström- förloppet i många fall att utöver inledande och avslutan- de rampstyrda förlopp även inbegripa mellanliggande kraf- tiga ändringar i strömförloppet, vilka dock i väsentlig utsträckning kommer att neutraliseras av strömmotkoppling- en enligt uppfinningen vad gäller alstrandet av skadliga störkomponenter.

Det skall beträffande strömmängdsfördelningen för âstadkommande av förbättrad effektfaktor understrykas att en jämn fördelning relativt aktuell spänningspuls natur- ligtvis kan inbegripa uppdelning i exempelvis två ström- pulser, varav den ena styrs ut i början av aktuellt tids- intervall och den andra styrs ut i slutet av tidsinter- vallet. Sådan styrning kan enkelt åstadkommas tack vare utnyttjandet av mikrodatorstyrning.

I tidigare beskrivna exempel har den utnyttjade transistorn rampstyrts till fullt ledande tillstånd, ket är fördelaktigt då små förluster i transistorn är I vissa fall kan det dock vara lämpligt att vil- önskvärda. rampstyra transistorn endast upp mot men icke ända upp till fullt ledande tillstånd.

I Fig. 8 illustreras sålunda ännu en utföringsform av en anordning enligt uppfinningen, i vilken vidareut- vecklad mikrodatorstyrning utnyttjas i kombination med icke full ramputstyrning av transistorn.

Anordningen enligt Fig. 8 överensstämmer till sin grunduppbyggnad med den i Fig. 7, men har dessutom en reg- lerkrets 81, vilken via en ledning 83 på en ingång får en insignal svarande mot spänningen över transistorn 7 och 509 375 10 15 20 25 30 35 18 vilken har en styrsignalutgång ansluten till förbind- ningspunkten mellan kondensatorn 18 och motståndet 19.

Denna reglerkrets 81 är anordnad att ge styrning då transistorn är rampstyrd till nästan full ledning. Kombi- nationen av motstånden 19 och 84 och kondensatorn 18 är härvid så dimensionerad att mikrodatorns 67 reglerutsig- nal ger önskad rampstyrning för tillslag och frånslag med lämplig RC-tidskonstant och så att transistorn bringas till nästan fullt ledande tillstånd, dvs så att man får ett avvägt lågt spänningsfall över transistorn i det le- dande tillståndet.

Reglerkretsen 81 avkänner restspänningen över tran- sistorn 7 vid ledande tillstånd och applicerar sin styr- spänning på transistorns styrelektrod för konstanthål- lande av nämnda spänning. Styrningen är dock förhållande- vis långsam, vilket innebär att driftsförändringar hos matningsspänningen och/eller lasten, vilka normalt skulle kunna ge upphov till snabba strömförändringar, motverkas, dvs dylika strömändringar stoppas. Detta innebär att dub- belriktat skydd mot störningar erhålles. 8 kommer ak- dvs kretsen kommer att till sin karaktär Fackmannen inser att kretsen enligt Fig. att sträva efter att konstanthålla den inställda, tuella strömmen, kunna jämföras med en induktans och kommer sålunda att i många tillämpningar kunna ersätta en platskrävande spole.

Fackmannen inser att reglerkretsens 81 funktion också kan implementeras i mikrodatorn 67.

Av redovisade exempel på anordningar som utnyttjar föreliggande uppfinning torde det mycket klart framgå att ingående kretsar innehåller endast ett fåtal, billiga kom- ponenter och att dessa genomgående är av icke skrymmande natur. Anordningar som inbegriper föreliggande uppfinning kommer därför att kunnas ges mycket små dimensioner och följaktligen utnyttjas i allehanda sammanhang. Utnyttjan- det av mikrodatorbaserad styrning ger också möjlighet att enkelt komplettera med olika tilläggsfunktioner vad gäller timer etc. effektstyrningen, t ex fjärrkontroll, minne,

Claims (18)

10 15 20 25 30 35 '19 509 375 PATENTKRAV

1. Förfarande för att styra strömmatningen från en spänningskälla till en därtill ansluten last, innefattan- de att ett styrbart halvledarorgan inkopplas mellan spänningskällan och lasten, att en för styrning av nämnda halvledarorgan avsedd styrsignal alstras i beroende av önskad nivå på till las- ten matad effekt, att styrsignalen tillförs nämnda halvledarorgan för pulstidrelaterad styrning av strömmen därigenom så att den önskade effektnivån erhålls, varvid strömmen bibringas rampformat tillslags- och företrädesvis även rampformat frånslagsförlopp till res- pektive från mot strömledning svarande strömvärde med vid rampstart respektive rampslut avrundat förlopp, så att störande strömfrekvenskomponenter åtminstone i väsentlig grad undvikes, varvid strömmen bibringas avrundat förlopp vid rampstart respektive rampslut genom en direkt, ström- relaterad motkoppling av nämnda halvledarorgan.

2. Förfarande enligt krav 1, varvid tillslags re- spektive frånslagsförloppet görs allmänt S- respektive omvänt S-formigt.

3. Förfarande enligt något av kraven 1-2, varvid spänningskällan avger en pulserande likspännig, företrä- desvis en helvågslikriktad växelspänning, innefattande att under respektive spänningspuls detektera hur strömmen fördelar sig mellan tiden före och tiden efter pulsmitten och att i beroende därav styra tillslags- respektive frånslagstidpunkterna för halvledarorgandet så att ström- men fördelas åtminstone väsentligen likformigt kring nämnda pulsmitt.

4. Förfarande för att styra strömmatningen från en spänningskälla till en därtill ansluten last, varvid spänningskällan avger en pulserande likspännig, företrä- desvis en helvàgslikriktad växelspänning, innefattande 20 509 375 10 15 20 25 30 35 att ett styrbart halvledarorgan inkopplas mellan spänningskällan och lasten, att en för styrning av nämnda halvledarorgan avsedd styrsignal alstras i beroende av önskad nivå på till las- ten matad effekt, att styrsignalen tillförs nämnda halvledarorgan för pulstidsrelaterad styrning av strömmen därigenom så att den önskade effektnivån erhålls, att strömmen bibringas rampformat tillslags- och fö- reträdesvis även rampformat frånslagsförlopp till respek- tive från mot strömledning svarande strömvärde med vid rampstart respektive rampslut avrundat förlopp,och ett förlopp väsentligen utan abrupta strömändringar genom en direkt, strömrelaterad motkoppling av nämnda halvledaror- gan så att störande strömfrekvenskomponenter åtminstone i väsentlig grad undvikes, samt att under respektive spänningspuls detektera hur strömmen fördelar sig mellan tiden före och tiden ef- ter pulsmitten och att i beroende därav styra tillslags- respektive frånslagstidpunkterna för halvledarorganet så att strömmen fördelas åtminstone väsentligen likformigt kring nämnda pulsmitt.

5. Förfarande enligt krav 3 eller 4, varvid ström- fördelningen detekteras genom samplad integrering av strömmen under respektive pulshälft och jämförelse mellan därvid erhållna strömvärden.

6. Förfarande enligt krav 5, varvid de erhållna strömvärdena summeras till ett strömsummavärde, som an- vänds som ett mått på till lasten matad effekt och jäm- förs med ett satt börsvärde för effekten, och varvid tillslags- respektive frånslagstidpunkterna för halvle- darorganet även styrs i beroende av resultatet av ef- fektjämförelsen i syfte att ge önskad effektnivå.

7. Förfarande enligt krav 6, varvid styrning av tillslags- och frånslagstidpunkterna för påverkan av strömfördelningen sker repetitivt, var gång efter det att styrning av tillslags- och frànslagstidpunkterna för på- 10 15 20 25 30 35 '21 509 375 verkan av effektnivån utförts under ett antal spännings- pulser.

8. Förfarande för att minska alstrandet av störan- de strömkomponenter i samband med styrpulstidrelaterad styrning mellan icke ledande och ledande tillstånd av ett mellan en spänningskälla och en last inkopplat halvle- darorgan i och för styrning av till nämnda last matad ef- fekt, mändringar särskilt vid strömnollnivà respektive vid en innefattande att man i samband med plötsliga strö- strömnivà svarande mot ledande halvledarorgan bibringar strömförloppet ett avrundat övergàngsförlopp, medelst en direkt, motkoppling av halvledarorganet. till strömmen genom halvledarorganet relaterad

9. Förfarande enligt krav 8, varvid man använder ett halvledarorgan av typ spänningsstyrd strömgenerator, såsom av FET-typ, varvid motkopplingen åstadkommes genom att en över ett till en huvudelektrod på halvledarorganet anslutet motstånd alstrad, strömrelaterad motkopplings- spänning appliceras på halvledarorganets styrelektrod.

10. Förfarande enligt krav 9, varvid motkopplings- spänningen sammanförs med en på nämnda styrelektrod app- licerad pulsformig styrspänning som har rampframkant och rampbakkant.

11. ll. Förfarande enligt krav 10, varvid rampframkan- ten bringas att följa en kondensatoruppladdningskurva och rampbakkanten bringas att följa en kondensatorurladd- ningskurva.

12. Förfarande för att styra strömmatningen från en spänningskälla till en därtill ansluten last, innefattan- de att ett styrbart halvledarorgan inkopplas mellan spänningskällan och lasten, att en för styrning av nämnda halvledarorgan avsedd styrsignal alstras i beroende av önskad nivå på till las- ten matad effekt, '22 509 575 10 l5 20 25 30 35 och att styrsignalen tillförs nämnda halvledarorgan för pulstidrelaterad styrning av strömmen därigenom så att den önskade effektnivån erhålls, och att styrsignalen och därigenom strömmen bibringas ett sådant förlopp att störande strömfrekvenskomponenter åtminstone i väsentlig grad undvikes, varvid man använder ett halvledarorgan som fungerar som spänningsstyrd strömgenerator, nämnda styrsignal inbegriper spänningspulser med styrbar längd och med styrd rampframkant och företrädes- vis även styrd rampbakkant, och nämnda styrsignal kompletteras med en motkopp- lingsspänning, som är direkt relaterad till strömmen ge- nom nämnda halvledarorgan.

13. Anordning för inkoppling mellan en spän- ningskälla och en last för att styra den ström som passe- rar från spänningskällan till lasten och därigenom den till lasten tillförda effekten, ett spänningsstyrt halvledarorgan avsett att kopplas innefattande till spänningskällan och lasten, så att nämnda ström kan flyta därigenom, varvid halvledarorganet har en styrin- gång för mottagning av en strömstyrspänning, en styrenhet anordnad att i beroende av ett däri in- ställt effektbörvärde avge en pulsad styrspänning till nämnda halvledarorgans styringång för pulstidrelaterad styrning av strömmen genom halvledarorganet, varvid styr- spänningens pulser har en rampframkant och företrädesvis även en rampbakkant för att bringa halvledarorganet från oledande till ledande tillstånd respektive från ledande till oledande tillstånd, organ för att alstra en till strömmen genom halvle- darorganet relaterad motkopplingsspänning, samt organ för att direkt påföra motkopplingsspänningen på halvledarorganets styringàng, så att plötsliga ström- förändringar bibringas ett avrundat förlopp, varigenom störande strömfrekvenskomponenter åtminstone i väsentlig grad undvikes. 10 15 20 25 23 509 375

14. Anordning enligt krav 13, varvid nämnda organ för att alstra en motkopplingsspänning utgörs av ett till en huvudelektrod på halvledarorganet anslutet och av halvledarorganströmmen genomflutet motkopplingsmotstànd.

15. Anordning enligt krav 14, varvid styrenheten har en kondensator anordnad att uppladdas för att ge styrspänningspulsernas rampframkant och att urladdas för att ge styrspänningspulsernas rampbakkant, varjämte kon- densatorns ena anslutning är kopplad till halvledarorga- nets styringàng och kondensatorns andra anslutning är kopplad till motkopplingsmotståndets ena anslutning, var- vid motkopplingsmotståndet andra anslutning är ansluten till nämnda huvudelektrod på halvledarorganet.

16. Anordning enligt något av kraven 13-15, varvid halvledarorganet är av FET-typ och företrädesvis utgörs av ett enda halvledarelement.

17. Anordning enligt något av kraven 13-16 varvid styrenheten inbegriper en mikrodator, vilken är anordnad att vid pulserande matningsspänning från spänningskällan styra halvledarorganet så att för respektive matnings- spänningspuls resulterande lastström fördelas med åtmins- tone väsentligen lika mängd på vardera sidan om pulsmit- ten.

18. Användning av ett halvledarogan av typ spän- ningsstyrd strömgenerator och försett med direkt strömre- laterad spänningsmotkoppling till halvledarorganets styr- elektrod för spänningspulstidrelaterad styrning av ef- fekttillförseln från en spänningskälla via halvledarorga- net till en last.