BR9915871B1 - processo e dispositivo para a regulação de um estágio final de potência. - Google Patents

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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO E DISPOSITIVO PARA A REGULAÇÃO DE UM ESTÁGIO FINAL DE POTÊNCIA".
A invenção refere-se a um processo para a regulação de um es- tágio final de potência para a comutação de uma carga aplicada mediante um disjuntor MOSFET em ligação em série nos pólos de uma fonte de ten- são mediante sinais de comando. A invenção refere-se também a um dispo- sitivo para a execução deste processo.
Para a regulação de cargas indutivas são utilizados estágios fi- nais de potência com transistores, especialmente transistores MOSFET. Quando do desligamento dos transistores, a energia da carga indutiva preci- sa ser desestabelecida ou através de diodos Zener quanto ao estágio final ou através de um diodo de proteção. Com cargas com elevada energia indu- tiva é utilizado um diodo de proteção sobre a carga. A desvantagem de tais estágios finais, especialmente estágios finais temporizados, é que ocasio- nam perturbações eletromagnéticas substanciais.
Uma causa conhecida para isso é a mudança rápida da tensão no ponto de ligação entre a carga e o disjuntor. Esta causa é enfrentada, por exemplo, em circuitos com MOSFET's por uma regulação de alto valor ôh- mico da conexão de comando por meio de uma resistência.
Outra causa para as perturbações eletromagnéticas ocasiona- das é a mudança rápida provocada pela comutação da corrente que corre através do disjuntor.
Da US 4.661.766 é conhecido um estágio final de potência para uma carga indutiva com diodo de proteção no qual a taxa de variação da corrente (current slew rate) que corre através do disjuntor ou da derivação de roda livre, é regulada a um valor predeterminado. Todavia, com isso é atrasado em muito o processo de comutação, quer dizer a passagem do estado de repouso para o estado de conexão ou vice-versa.
Um circuito semelhante é conhecido da GB 2 140 996 A que publica um processo para comutação regulada de uma carga por meio de sinais de comando no qual um disjuntor a partir de um sinal de comando é carregado com uma corrente de carga de uma grande taxa de ascensão predeterminada até esta corrente de carga ultrapassar um primeiro valor limite, então é carregado mais, em seguida, por tanto tempo com uma cor- rente de carga de uma pequena taxa de ascensão predeterminada até esta corrente de carga atingir um segundo valor limite e, em seguida, carregado mais com uma corrente de carga de elevada taxa de ascensão predetermi- nada. A taxa de ascensão da corrente de carga é regulada em função da taxa de ascensão da corrente de esforço. O processo de descarga se efetua na seqüência inversa.
É tarefa da presente invenção indicar um processo para a regu- lação de uma carga indutiva pelo qual são diminuídas as perturbações ele- tromagnéticas e o atraso de comutação (delay time) assim como pode ser mantida baixa a potência dissipada. Tarefa da invenção também é criar um dispositivo para a execução deste processo.
O circuito da invenção oferece a vantagem de que a taxa de va- riação da corrente pode ser ajustada de maneira simples e de tal forma que não ocorra qualquer perturbação essencial, sendo que o atraso de comuta- ção é prolongado apenas de maneira mínima.
A seguir é descrita, em pormenores, a invenção com base em um desenho. Os desenhos mostram:
figura 1 - um exemplo de execução de um estágio final de po- tência da invenção,
figura 2 - um diagrama de fluxo quanto ao decurso do processo da invenção,
figura 3 - um diagrama quanto ao decurso das tensões e corren- tes por ocasião da conexão da carga e
figura 4 - um diagrama quanto ao decurso das tensões e corren- tes quando da desconexão da carga.
A invenção é descrita com base em um estágio final de potência temporizado utilizado em um veículo, disposto em um circuito integrado, pa- ra a comutação de uma carga indutiva L com diodo de proteção F segundo a figura 1. O estágio final de potência integrado pode ser disposto, por e- xemplo, em um aparelho de comando do motor não representado do qual o mesmo recebe os sinais de comando st para a conexão e desconexão tem- porizadas da carga indutiva L, por exemplo, uma válvula de regulação para o retorno do gás de escape. Segundo a relação ajustada de ciclos, esta vál- vula é regulada para mais ou para menos.
Nos pólos +Vb e GND de uma fonte de tensão não representa- da, por exemplo, a bateria do veículo, se situa uma conexão em série da carga indutiva L e um disjuntor T realizado por um MOSFET.
A carga L se situa entre a conexão de dreno d do disjuntor Teo pólo positivo +Vb da fonte de tensão. A conexão de fonte s é conectada a- través de uma resistência de medição R com o pólo negativo GND. Parale- lamente à carga L é disposto um diodo de proteção F, condutor de corrente, ao pólo positivo +Vb. Para a proteção do disjuntor T é disposto entre a co- nexão de dreno d e a conexão de porta g um circuito em série de um diodo Zener Z, condutor de corrente, em direção à conexão de dreno d e um diodo D, condutor de corrente, em direção à conexão de porta g.
A regulação do disjuntor T se efetua através de um circuito de regulação ST no qual dos sinais de comando st, de um resultado de compa- ração da tensão de dreno Vd com um valor limite de tensão predeterminado Vs e de um resultado de comparação da corrente, que flui através do disjun- tor T, em seguida denominada de corrente de dreno Id, com um valor limite de corrente predeterminado Is são convertidos em sinais de regulação k1 a k4 para fontes de correntes constantes K1 a K4. O valor limite de tensão Vs é selecionado de tal maneira que ele se situa um pouco abaixo da tensão de bateria Vb (por exemplo, Vb = 14V, Vs = 13V) e o valor limite de corrente Is deve ser um décimo a vinte avos do valor nominal da corrente de dreno Id (por exemplo, Id = 2A, Is = 100mA).
Para a execução da comparação da tensão e da corrente são previstos no circuito de regulação ST dois comparadores Cv e Ci aos quais são alimentadas, fora os valores limite predeterminados Vs e Is, a tensão de dreno Vd e a corrente de dreno Id (como valor de tensão Id' em queda na resistência de medição R). Estas fontes de correntes constantes K1 a K4 produzem, em es- tado de conexão correntes constantes de carga e de descarga Ig1 a Ig4 com as quais a porta do disjuntor T é carregada ou descarregada.
O circuito de regulação ST e as fontes de correntes constantes K1 a K4 são operados com uma tensão de alimentação que pode ser toma- da nos pólos +Vcc e GND1 sendo que as fontes de correntes constantes K1 e K2, situadas paralelamente uma à outra, são dispostas entre o pólo positi- vo +Vcc e a conexão de porta g e, em estado de conexão, imprimem corren- tes de carga Ig1 e Ig2 orientadas em direção à conexão de porta g e sendo que as fontes de correntes constantes K3 e K4, do mesmo modo situadas paralelamente uma à outra, são dispostas entre a conexão de porta g e o pólo negativo GND e, em estado de conexão, imprimem correntes de des- carga Ig3 e Ig4 orientadas em direção para fora da conexão de porta g.
As fontes de correntes constantes K1 e K3 produzem correntes Ig1, Ig3, mais altas aproximadamente pelo fator 10 (por exemplo, 2mA) do que as fontes de correntes constantes K2 e K4 (Ig2, Ig4), que, segundo a taxa de variação da corrente (current slew rate) de dreno desejada, produ- zem, aqui, por exemplo, 0,2mA o que na figura 1 é indicado, nas fontes de correntes constantes, por setas grossas, respectivamente finas que apon- tam na direção da corrente respectiva.
A seguir, é descrito o processo para a conexão da carga indutiva por meio do estágio final de potência com base nas figuras 1 a 4. No dia- grama de fluxo segundo a figura 2 é representado o decurso do processo para a conexão e desconexão contínuas temporizado da carga. Quanto aos vários passos do processo identificados com números romanos é feita refe- rência na seguinte descrição por números romanos colocados entre parêntesis.
A figura 3 mostra os decursos de corrente e de tensão quando da conexão da carga Lea figura 4 os decursos de corrente e de tensão quando da desconexão da carga, sendo que em cada caso são plotados o sinal de comando st assim como a corrente de carga (com sinal positivo na figura 3), a corrente de descarga (com sinal negativo na figura 4) e os de- cursos dali resultantes da tensão de dreno Vd na conexão de dreno d e da corrente de dreno ld. A demais, são desenhados o valor limite de tensão Vs e o valor limite de corrente Is.
As figuras 3 e 4 mostram as correntes e as tensões durante o funcionamento temporizado portanto não por ocasião da primeira conexão da carga no início de operação.
Se um sinal de comando st = 1 comparecer para a conexão da carga L no momento t1, será fornecido pelo circuito de regulação ST um sinal k1 para a conexão da fonte de corrente constante Κ1 Il pelo que uma grande corrente de carga Ig 1 corre à porta do disjuntor T carregando-a rapi- damente. Assim que no momento t2 a corrente de dreno em seguida ascen- dente Id ultrapasse o valor limite Is III, a fonte de corrente constante K1 é desligada e no seu ligar é ligada a fonte de corrente constante K2 com um sinal k2 IV que agora, por sua vez, carrega a porta com uma corrente de carga pequena Ig2.
A corrente de dreno Id sobe agora com a taxa de ascensão de- sejada a seu valor teórico em conseqüência do que a tensão de dreno Vd, que no estado não condutor do disjuntor T por causa da corrente de roda livre fluente apresentou pela tensão no diodo de proteção F um valor maior do que a tensão de bateria +Vb1 cai e o disjuntor T passa para o estado condutor de corrente.
Assim que a tensão de dreno Vd no momento t3 passe por baixo do valor limite de tensão Vs V, a fonte de corrente constante K2 é des- ligada e, mais uma vez, é ligada a fonte de corrente constante K1 para uma duração predeterminada Tv VI, VII. Por esta medida, o disjuntor T é regula- do plenamente com grande corrente de carga Ig 1 e é minimizada sua resis- tência dreno-fonte em conseqüência do que no disjuntor T, em estado con- dutor, cai uma tensão muito pequena.
Decorrida a duração predeterminada Tv, no momento t4 é desli- gada novamente a fonte de corrente constante K1; a carga agora está ligada na sua totalidade VIII. Este estado continua a ser mantido até o sinal de co- mando st no momento t5 (figura 4) desaparecer IX o que significa que a car- ga L deve ser desligada.
Com o fim do sinal de comando st = 0, a fonte de corrente cons- tante K3 é ligada X em conseqüência do que uma grande corrente de des- carga Ig3 escoa da porta do disjuntor Τ. A tensão de dreno Vd sobe em conseqüência disso. Se ela ultrapassar no momento t6 o valor limite de ten- são Vs Xl a fonte de corrente constante k3 será desligada e a fonte de cor- rente constante K4 será ligada Xll pelo que a corrente de dreno Id com a taxa desejada da queda de corrente alocada à corrente de descarga Ig4 tor- nará menor, e a derivação de roda livre assumirá a corrente. A tensão de dreno Vd sobe novamente a um valor maior pela tensão no diodo de prote- ção F do que a tensão de bateria +Vb.
Assim que a corrente de dreno passar por baixo do valor limite de corrente Is XIII, a fonte de corrente constante k4 será desligada e a fonte de corrente constante K3 será ligada novamente para a duração predeter- minada Tv XIV para esvaziar agora a porta com a grande corrente de des- carga Ig3 rapidamente e tornar o disjuntor T não condutor. Decorrido a du- ração predeterminada Tv XV é desligada a fonte de corrente constante K3 XVI em conseqüência do que é alcançado novamente o estado de saída. Agora pode-se continuar a temporizar I ou terminar a regulação da carga.
Pela carga e descarga alternante do disjuntor com correntes de carga ou de descarga grandes ou pequenas se consegue que os tempos de temporização de conexão e de desconexão fiquem baixos (que com uma regulação com uma corrente de carga ou de descarga pequena alocada à taxa desejada de ascensão e de queda demorariam por um tempo de cerca de dez a vinte vezes mais longo) e, não obstante, não ocorre nenhuma ou apenas uma pequena perturbação eletromagnética já que as taxas de as- censão e de queda da corrente de dreno Id são limitadas a valores prede- terminados.
Neste exemplo de execução, os valores Ig 1 = Ig3, Ig2 = Ig4 e (Tv) (na carga) = (Tv) (na descarga) são selecionados em cada caso de va- lor igual. Estas grandezas, porém, podem, adaptadas às necessidades, também ser selecionadas de tamanhos diferentes.

Claims (3)

1. Processo para a regulação de um estágio final de potência para a comutação de uma carga (L) aplicada mediante um disjuntor MOS- FET (T) em ligação em série nos pólos (+Vb, GND) de uma fonte de tensão mediante sinais de comando (st), sendo que o disjuntor MOSFET (T) - partindo do início de um sinal de comando (st), caracterizado pelo fato de que é carregado com uma grande corrente de carga predeter- minada (Ig 1) até a corrente de dreno ultrapassar (t1-t2) um valor limite de corrente predeterminado (Is), - então é carregado em seguida por tanto tempo com uma pe- quena corrente de carga predeterminada. (Ig2) até a tensão de dreno (Vd) passar por baixo (t2-t3) de um valor limite de tensão predeterminado (Vs)1 - em seguida, é carregado ainda (t3-t4) por uma duração de car- ga predeterminada (Tv) com a grande corrente de carga predeterminada (Ig1),e - partindo do fim do sinal de comando (st) é descarregado com uma grande corrente de descarga predeterminada (Ig3) até a tensão de dreno (Vd) ultrapassar (t5-t6) o valor limite de tensão predeterminado (Vs), - então é descarregado em seguida por tanto tempo com uma pequena corrente de descarga predeterminada (Ig4) até a corrente de dreno (Id) passar por baixo (t6-t7) do valor limite de corrente predeterminado (Is) e - em seguida, é descarregado (t7-t8) por uma duração de des- carga predeterminada (Tv) com a grande corrente de descarga predetermi- nada (Ig3).
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que a máxima taxa de ascensão da corrente de dreno (Id) é de- terminada pelo valor da pequena corrente de carga (Ig2) e sua taxa de que- da pelo valor da pequena corrente de descarga (Ig4).
3. Dispositivo para a execução do processo definido na reivindi- cação 1, sendo que é previsto um circuito de regulação (ST), o dispositivo caracterizado pelo fato de que, - entre o pólo positivo (+Vcc) de uma tensão de alimentação e a conexão da porta (g) do disjuntor MOSFET (T) são ligadas uma fonte de corrente constante (K1) para uma grande corrente de carga (Ig 1) e, parale- lamente a isso, uma fonte de corrente constante (K2) para uma pequena corrente de carga (Ig2), - entre a conexão de porta (g) do disjuntor MOSFET (T) e o pólo negativo (GND) da tensão de alimentação são ligadas uma fonte de corrente constante (K3) para uma grande corrente de descarga (Ig3) e, paralelamen- te a isso, uma fonte de corrente constante (K4) para uma pequena corrente de carga (Ig4), e - o circuito de regulação (ST) funciona em um tensão de alimen- tação (Vcc) de cujos sinais de regulação (k1 a k4) são ligadas e desligadas as fontes de corrente constante (K1 a K4) segundo um programa de regula- ção segundo a figura 2, em função - dos sinais de comando (st), - da relação Vd>Vs pu Vd<Vs da tensão de dreno (Vd) em rela- ção a um valor limite de tensão predeterminado (Vs)1 - da relação ld>ls ou ld<ls da corrente de dreno (Id) que flui a- través do disjuntor (T) em relação a um valor limite de corrente predetermi- nado (Is) e de pelo menos um período predeterminado (Tv).
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