SI9010020A - Vezje za prosto nihajoči stikalni omrežni napajalnik z zapornim oscilatorjem - Google Patents

Abstract

Izum se nanaša na vezje za prosto nihajoči stikalni omrežni napajalnik z zapornim oscilatorjem s krmilno pripravo (IC) za impulznoširinsko modulirano proženje električnega stikalnega elementa (T1). Kot regulacijsko informacijo ta krmilna priprava (IC) poleg drugega dobiva na vhodni sponki (8) signal (UNull) detektorja prehoda skozi ničlo, na drugi vhodni sponki (1)pa dobiva regulacijsko napetost (UR), ki zavisi od izhodne napetosti (UA) stikalnega omrežnega napajalnika. Zaradi zagotavljanja zanesljivega delovanja vezja tudi pri majhni porabi energije, predvsem pa v režimu pripravljenosti (stand-by) pri samo nekaj W moči praznega teka, se predlaga, da se poleg kapacitivne sklopitve obeh vhodnih sponk (1, 8) predvidi detektorska priprava (DE), s pomočjo katere se zmanjša notranja referenčna napetost (Uref) krmilne priprave (IC) v stanju pripravljenosti. Na ta način se lahko učinkovito prepreči dvig izhodne napetosti in zaradi kapacitivne sklopitve še nadalje povečano naraščanje izhodne napetosti.ŕ

Description

SIEMENS AG

Vezje za prosto nihajoči stikalni omrežni napajalnik z zapornim oscilatorjem

Izum se nanaša na vezje za prosto nihajoči stikalni omrežni napajalnik z zapornim oscilatorjem po uvodnem delu prvega patentnega zahtevka. Takšno vezje je poznano npr. iz spisa DE 33 12 209 Al. Za impulzno modulirano proženje električnega stikalnega elementa, npr. tiristorja ali močnostnega MOS poljskega transistorja se krmilni pripravi med drugim dovajata dve informaciji o krmiljenju. Kot prva se dovaja prehod skozi ničlo stikalnih impulzov, da se ugotovi obstoječa frekvenca in obstoječi količnik vklopljenosti stikalnega elementa. Kot druga se krmilni pripravi dovaja regulacijska napetost, kije odvisna od izhodne napetosti stikalnega omrežnega napajalnika in ki se v krmilni pripravi preko upora dovaja invertirajočemu vhodu operacijskega ojačevalnika, na katerega neinvertiracijočem vhodu leži prva referenčna napetost. Na ta način se krmilni pripravi sporočata začetek impulza in širina impulza za proženje stikalnega elementa.

Izkazalo se je, da pri tem poznanem vezju frekvenca obratovanja stikalnega omrežnega napajalnika narašča s povečanjem razbremenitve sekundarne strani do njegove lastne frekvence, ki je značilno od 150 kHz do 200 kHz. To dovede do pregrevanja stikalnega elementa, kar lahko dovede do njegovega uničenja. Da bi se preprečilo, da je na sekundarni strani stikalnega omrežnega napajalnika treba predvideti osnovno breme in s tem povečano izgubno moč v režimu pripravljenosti (stand-by), je bilo pri tem znanem vezju predlagano, da se med vhodnima sponkama za signal detektorja prehoda skozi ničlo in regulacijsko napetostjo namesti kapacitivno sklopilno vezje. S tem se signal detektorja prehoda skozi ničlo naloži na vrednost napetosti regulacije. S tem nalaganjem se lahko odpravi več startnih impulzov za proženje stikalnega elementa. Posledica tega je delovna frekvenca, ki se doseže s to delitvijo frekvence lastnih nihanj.

Pri tej zmanjšani obratovalni frekvenci seje vendar ugotovilo, da se izhodna napetost na nezaželjen način dodatno poveča za okoli 10 do 20 %. To je pomanjkljivost predvsem zato, ker se v režimu pripravljenosti tudi sicer izhodna napetost počasi povečuje. Zato je nadaljnje povečevanje izhodne napetosti nezaželjeno.

Naloga predloženega izuma je zato v tem, da znano vezje za prosto nihajoči stikalni omrežni napajalnik z zapornim oscilatorjem nadalje izpopolni, tako da se prepreči naraščanje izhodne napetosti v režimu pripravljenosti (stand-by).

Ta naloga je rešena z označujočimi značilnostmi iz prvega patentnega zahtevka.

Nadaljnji prednostni izvedbeni primeri izuma so predmet podzahtevkov.

Izum je v nadaljnjem podrobneje obrazložen s pomočjo prednostnega izvedbenega primera in dvema slikama, ki prikazujeta:

sl. 1 vezje po izumu za prosto nihajoči stikalni omrežni napajalnik s kapacitivnim sklopilnim vezjem in detektorsko pripravo in sl. 2 napetost in tok na stikalnem elementu pri obratovanju v režimu pripravljenosti pri 4 W na sekundarni strani kot tudi pripadajoči signal detektorja prehoda skozi ničlo in signal regulacijske napetosti.

Na sl. 1 je prikazano vezje za prosto nihajoči stikalni omrežni napajalnik z zapornim oscilatorjem, kot je v bistvu poznano iz Siemensove informacije o izdelkih ”ICs fiir die Unterhaltungselektronik, SNTs; Ausgabe 8.87, str.57. Za tvorjenje usmerjene izhodne napetosti U_A na usmerniškem vezju, ki obstoji iz upora R16, diode D6, kondenzatorja CII in upora R12, ki so priključeni na izhodni sponki 10, 11 na sekundarni strani transformatorja T, vezje obsega električni stikalni element Tl, npr. močnostni MOS transistor, preko katerega se lahko na prvo navitje n2 na primarni strani transformatorja T dovede enosmerna napetost, ki je modulirana s širino impulza. Enosmerna napetost se dobi npr. iz izmenične napetosti 90 V do 270 V na izhodnih sponkah 12, 13 stikalnega omrežnega napajalnika, na katerega sta priključena usmerniški mostiček GR1 in kondenzator CI in leži med zaporedno vezavo obremenjene linije stikalnega elementa Tl in prvega ovitja n2 na primarni strani.

Za proženje stikalnega elementa Tl ima to vezje integrirano krmilno pripravo IC, npr. integrirano vezje TDA 4605 od Siemensa. Integrirana krmilna priprava IC se preko svojega priključka 6 napaja s potrebno napetostjo, iz katere se znotraj v integrirani krmilni pripravi IC določajo potrebne referenčne napetosti in pragovi vključevanja, medtem ko priključek 4 leži na referenčnem potencialu primarne strani stikalnega omrežnega napajalnika. Priključek 5 integrirane krmilne priprave IC, ki deluje kot izhod, je povezan s krmilnim priključkom električnega stikalnega elementa Tl. Zaradi impulznoširinsko moduliranega proženja tega elementa Tl dobiva krmilna priprava IC na prvi vhodni sponki, tukaj priključek 2, signal primarnega toka. Dvig primarnega toka v prvem navitju na strani primarja n2 transformatorja T se s pomočjo RC člena, ki ga sestavljata upor R4 in kondenzator C5, ki sta vezana vzporedno z usmerjeno izmenično napetostjo, se pojavi kot dvig napetosti na priključku 2. Pri dosezanju določene vrednosti, ki je izvedena iz regulacijske napetosti na priključku 1, kar bo še pojasnjeno, se končuje izhodni impulz na izhodu priključka 5.

Za natančno proženje stikalnega elementa Tl sta potrebni nadaljnji dve informaciji. Na drugi vhodni sponki, tukaj priključku 8, krmilna priprava IC dobi signal U_Null detektorja prehoda skozi ničlo, ki določa začetek impulza. Na tretji vhodni sponki, tukaj priključku 1, se krmilni pripravi IC dovaja regulacijska napetost U_R, ki zavisi od izhodne napetosti U_A. V skladu z namenom se to izvaja z drugim primarnim navitjem ni, ki je trdno sklopljeno z navitjem n5 na sekundarni strani in z usmerniškim sklopom D3, C6, R7 in R6 kot tudi R5. Na ta način je na priključku 1 krmilne priprave IC prisotna regulacijska napetost U_R, ki je sorazmerna izhodni napetosti U_A. Signal U_Null detektorja prehoda skozi ničlo se prav tako dovede na drugo primarno navitje ni z uporoma R8 in R9 na priključku 8 integrirane priprave IC. S primerjavo regulacijske napetosti U_R, ki se dobi iz drugega navitja ni na primarni strani transformatorja T in ki se v krmilni pripravi IC dovaja neinvertirajočemu vhodu komparatorskega ojačevalnika K, z notranjo referenčno napetostjo U_ref, ki leži na invertirajočem vhodu komparatorskega ojačevalnika K, se širina izhodnih impulzov in s tem širina impulzov na priključku 5 krmilne priprave IC prilagodi bremenu na sekundarni strani. Po zanihanju stikalnega omrežnega napajalnika sproži vsak prehod skozi ničlo napetosti povratne sklopitve in s tem signal U_Ni|]1 detektorja prehoda skozi ničlo na priključku 8 krmilne priprave IC izhodni impulz na priključku 5.

Da bi se v režimu pripravljenosti (stand-by) omogočilo, da stikalni omrežni napajalnik z zapornim oscilatorjem ne niha pri svoji lastni frekvenci, ki je značilno od 150 kHz do 200 kHz in da se na ta način zelo preobremeni stikalni element Tl, je med drugo in tretjo vhodno sponko, tukaj priključkoma 1 in 8 krmilne priprave IC, priključeno kapacitivno sklopilno vezje, ki v tem izvedbenem primeru obstoji iz zaporedne vezave upora R20 in kondenzatorja C20. Dodatno leži med priključkom 1 in kondenzatorjem C20 zaradi omejevanja toka Zenerjeva dioda D10, ki pa vendarle ni nujno potrebna, je pa smotrna za omejevanje strmine regulacije. Ta kapacitivna povezava med priključkoma 1 in 8 krmilne priprave IC vpliva, da je v krmilni pripravi IC predviden impulznoširinski modulator PWM v režimu pripravljenosti podvržen prenizki regulacijski napetosti U_R in se delovna frekvenca stikalnega omrežnega napajalnika v režimu pripravljenosti lahko usmerjeno prilagodi na nizko frekvenco med 16 kHz in 30 kHz. Pri tem je pomembno, da delovna frekvenca stikalnega omrežnega napajalnika v vsakem primeru leži nad slušnim območjem, da bi se izognilo neprijetnim motnjam.

Ta nizka delovna frekvenca stikalnega omrežnega napajalnika v režimu pripravljenosti pa ima vendarle pomanjkljivost, da se v režimu pripravljenosti izhodne napetost U_A dodatno poveča, ki tudi sicer lahko narašča. Da bi se temu izognilo, je vezju dodana detektorska priprava DE, s katero se lahko vpliva na začetek režima pripravljenosti z znižano obratovalno frekvenco. Ta detektorska priprava DE je povezana s pripravo za referenčno napetost RE in je izvedena tako, da se referenčni signal, tukaj referenčna napetost U med režimom pripravljenosti spreminja, tako da se izhodna napetost U_A zniža.

Zato krmilna priprava IC obsega impulznoširinski modulator PWM, ki je priključen na priključek 5, ki poleg krmilnega signala primarne napetosti, ki se dovaja na priključek 3, obsega še nadalje naslednje informacije: signal primarnega toka iz signala, ki se nahaja na priključku 2 glede na primarno napetost, ki se dovaja preko primarne tokovne stopnje PS, signal U_Nu]1 detektorja prehoda skozi ničlo, ki se preko stopnje KU za odpravljanje resonance dovaja na priključek 8, in signal regulacijske napetosti U_R, ki je doveden na priključek 1 in ki se dovaja invertirajočemu vhodu komparatorskega ojačevalnika K, katerega izhod je povezan z impulznoširinskim modulatorjem PWM. Na neinvertirajočem vhodu tega komparatorskega ojačevalnika K leži referenčna napetost U_ref , ki se dobi iz priprave RE za referenčno napetost, ki je v povezavi s priključkom 6. Po izumu se lahko referenčna napetost U_ref , ki je prisotna na neinvertirajočem vhodu komparatorskega ojačevalnika K, preklopi vsaj med dvema vrednostima. To se izvaja v odvisnosti od delovne frekvence modulatorja PWM preko detektorske priprave DE, ki zaznava začetek režima pripravljenosti z znižano delovno frekvenco nekako 25 kHz in ki je tako povezana z izhodom priprave RE referenčnega signala, da se referenčni signal, v tem primeru referenčna napetost U_{ref x 2} med režimom pripravljenosti lahko spreminja tako, da se izhodna napetost stikalnega omrežnega napajalnika zmanjša v primerjavi s sicer običajno izhodno napetostjo v režimu pripravljenosti. Poleg tega je na izhodu detektorske priprave DE npr. predviden stikalni element T2, s pomočjo katerega se napetostni delilnik, ki je sestavljen iz uporov R30 in R31, lahko preklopi tako, da je referenčna napetost U 2 izbrana med dvema vrednostima. Če je detektorska priprava DE stvorjena kot priprava za oceno frekvence in če ta priprava za oceno frekvence zaznava znižano delovno frekvenco v režimu pripravljenosti, potem bo v tem izvedbenem primeru izključen stikalni element T2, deloval pa bo upor R30. S tem se bo zmanjšala referenčna napetost U prednostno za 20 %. S tem premikanjem referenčne napetosti proti manjšim vrednostim se neinvertirajočemu vhodu komparatorskega ojačevalnika K dovaja manjša referenčna napetost in se s tem povečuje izhodni signal, ki je prisoten na izhodu komparatorskega ojačevalnika. Posledica je zmanjšanje izhodne napetosti stikalnega omrežnega napajalnika z zapornim oscilatorjem.

Če je npr. pri vezju po izumu med impulznoširinskim modulatorjem PWM in priključkom 8 nameščena stopnja KU za odpravljanje resonance in če se upor R20 kapacitivnega sklopilnega vezja izvede tako, da je spremenljiv, potem se lahko frekvenca režima pripravljenosti stikalnega omrežnega napajalnika usmerjeno prilagodi na frekvenco npr. 25 kHz. Sl. 2, ki bo pojasnjena v nadaljnjem, še enkrat pojasnjuje način delovanja stikalnega omrežnega napajalnika po izumu.

Na sl. 2 so prikazani signali, ki so potrebni za razumevanje načina delovanja tega vezja v časovni medsebojni odvisnosti. Z oznako U_D je označena napetost na stikalnem elementu, z oznako I_D pa tok skozi stikalni element. U_Null označuje signal detektorja prehoda skozi ničlo, ki je prisoten na priključku 8, medtem ko U_R označuje regulacijsko napetost na kondenzatorju C6. Z U_RC so označeni diferencirani prehodi skozi ničlo preko kapacitivnega sklopilnega vezja, ki obstoji iz zaporedne vezave upora R115 in kondenzatorja 009. S povezavo priključkov 1 in 8 krmilne priprave IC z obratovalno frekvenco stikalnega omrežnega napajalnika v režimu pripravljenosti se omejuje na okoli 25 kHz. Ta nizka frekvenca se doseže zato, ker se zanemari določeno število prehodov skozi ničlo signala detektorja prehoda skozi ničlo. Do tega pride s pomočjo kapacitivnega sklopilnega vezja, ker krmilna priprava IC pošilja preveč nizko regulacijsko napetost v režimu pripravljenosti, tako da tokovni impulzi, ki se pojavljajo na stikalnem elementu Tl izpadejo sorazmerno veliki. Komparatorski ojačevalnik K, ki je vsebovan v krmilni pripravi IC, se z razbremenitvijo transformatorja, ki izhaja od tod, močno prekrmili. Po padcu napetosti se šele naslednji impulz ponovno odda.

Medtem ko polne linije na sl. 2 prikazujejo signale za nespremenjen referenčni signal, so prekinjene linie v režimu pripravljenosti posnete pri referenčnem signalu, ki je znižan za 20 %.

Claims (7)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Vezje za prosto nihajoči stikalni omrežni napajalnik z zapornim oscilatorjem za tvorjenje izhodne napetosti (U_A) z električnim stikalnim elementom (Tl) za ritmično dovajanje enosmerne napetosti na prvo navitje (n2) transformatorja (T) ob uporabi krmilne priprave (IC) za impulznoširinsko modulirano proženje električnega stikalnega elementa (Tl) po vsaj enem signalu primarnega toka, ki se lahko dovede na prvo vhodno sponko (2), s signalom (U_N ) prehoda skozi ničlo, ki se lahko dovede na drugo vhodno sponko (8) in ki opredeljuje začetek impulza tudi s signalom razlike, ki se dobi iz komparatorskega ojačevalnika (K) in ki določa širino impulza, pri čemer se na prvi krmilni vhod komparatorskega ojačevalnika (K) lahko priključi interni referenčni signal, ki ga tvori priprava (RE) za referenčno napetost, in se na drugi krmilni vhod lahko priključi regulacijska napetost (U_R), in se lahko priključi na tretjo vhodno sponko (1), odvisna pa je od izhodne napetosti (U_A), in s kapacitivnim sklopilnim vezjem (R20, C20), ki je priključeno med drugo vhodno sponko (8) in tretjo vhodno sponko (1), da se zniža delovna frekvenca v režimu pripravljenosti vezja, označeno s tem, daje predvidena detektorska priprava (DE), s katero se lahko zajame začetek režima pripravljenosti, in da je detektorska priprava (DE) povezana s pripravo (RE) za referenčno napetost in da se referenčni signal med režimom pripravljenosti spreminja tako, da se izhodna napetost v režimu pripravljenosti zniža.
2. 2. Vezje po zahtevku 1, označeno s tem, da se referenčni signal spremeni za 20 %.
3. 3. Vezje po zahtevku 1 ali 2, označeno s tem, da detektorska priprava (DE) obsega pripravo za določanje frekvence.
4. 4. Vezje po enem izmed zahtevkov 1 do 3, označen s tem, da kapacitivno sklopilno vezje obstoji iz vsaj ene zaporedne vezave upora (R20) in za njim vezanega kondenzatorja (C20).
5. 5. Vezje po zahtevku 4, označeno s tem, daje upor (R20) izveden spremenljivo.
6. 6. Vezje po enem izmed zahtevkov 1 do 5, označeno s tem, da krmilna priprava (IC) obsega stopnjo (KU) za odpravljanje resonance, s pomočjo katere se pri prekrmiljenju transformatorja lahko odpravi zanihanje transformatorja kot tudi s tem povezani prehodi skozi ničlo signala (U_Null) detektorja prehoda skozi ničlo.
7. 7. Vezje po enem izmed zahtevkov 1 do 6, označeno s tem, da je znižana delovna frekvenca v režimu pripravljenosti nastavljena med 15 kHz in 60 kHz.