DE2551150A1 - Power supply network for resonant loads - incorporates voltage controlled oscillator controlled by phase difference between voltage supplied to load and that across capacitor in load - Google Patents
Power supply network for resonant loads - incorporates voltage controlled oscillator controlled by phase difference between voltage supplied to load and that across capacitor in loadInfo
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Abstract
Description
Netzgerät zum Speisen einer Resonanz last Power supply unit for feeding a resonance load
Die Erfindung betrifft allgemein Netzgeräte und insbesondere ein Netzgerät zum Speisen einer Resonanz last mit Hochfrequenzenergie Induktiv beheizte Verdampfungsquellen für Verdampfungsanlagen und -geräte weisen eine in unmittelbarer Nähe der Last befindliche Erregerspule auf, durch welche ein Strom durchgeleitet wird, wobei eine Energieübertragung auf die Last erfolgt, wodurch Wärme in der Last induziert wird und die Verdampfung erfolgt.The invention relates generally to power supplies and, more particularly, to a power supply For feeding a resonance load with high-frequency energy Inductively heated evaporation sources for evaporation systems and devices have one located in the immediate vicinity of the load Excitation coil, through which a current is passed, with an energy transfer on the load, which induces heat in the load and causes evaporation he follows.
Die bekannten Erregerspulen werden in der Regel mit effektiven Betriebs strömen von mehreren hundert Ampere und mit Frequenzen in der Größenordnung von 50 kHz betrieben. Die Netzgeräte' welche diese Ströme liefern, weisen typischerweise in der Endstufe Hochleistungs-Schalttransistoren auf.The well-known excitation coils are usually with effective operation currents of several hundred amperes and with frequencies in the order of magnitude of 50 kHz operated. The power supply units that supply these currents typically have high-performance switching transistors in the output stage.
Diese Schalttransistoren sind sehr kostspielig und können leicht beschädigt werden, insbesondere während der An- und Abschaltvorgänge, welche bei einer Ausgangsfrequenz von 50 kHz sich fünfzigtausendmal pro Sekunde wiederholen.These switching transistors are very expensive and can be easily damaged , especially during the on and off processes, which at an output frequency of 50 kHz repeat itself fifty thousand times per second.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Netzgeräts zum Speisen einer Resonanzlastw in welchem die Gefahr einer Beschådigung der Schalttransistoren praktisch ausgeschaltet oder zumindest ganz wesentlich herabgesetzt ist.The object of the invention is therefore to create a power supply unit to the Feeding a resonance load in which there is a risk of damage to the switching transistors is practically switched off or at least significantly reduced.
Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Netzgerät zum Speisen einer Resonanz last besteht aus der Erregerspule für eine Verdampfungsquelle, vermittels welcher ein Strom in einem Verdampfungsgut erzeugbar ist, und einem elektrisch in- Reihe mit der Erregerspule geschalteten kapazitiven Element und ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit durch ein Steuersignal vorgegebener Frequenz dienenden spannung geregelten Oszillator, eine auf das Oszillatorsignal ansprechbare und zur Leistungseinspeisung in die Last mit der Frequenz des Oszillatorsignals dienende Vorrichtung, einen zur Überwachung der Phasen der in die Last eingespeisten Spannung, sowie der am kapazitiven Element entwickelten Spannung und zur Erzeugung von den relativen Phasen der Spannungen entsprechenden Ausgangssignalen dienenden Phasendetektor, eine auf die Phasendetektorausgangssignale ansprechbare und zur Erzeugung eines Signals von den relativen Phasen der in die Last eingespeisten Spannung und der am kapazitiven Element entwickelten Spannung entsprechender mittlerer Amplitude dienende Vorrichtung und eine zum Vergleichen der mittleren Amplitude des letztgenannten Signals mit einem Bezugssignal, dessen Pegel einem vorbestimmten Unterschied der überwachten Phasen entspricht, und zur Veränderung der Spannung des in Abhängigkeit von Abweichungen der mittleren Amplitude von dem Pegel des Bezugssignals an den Oszillator angelegten Steuersignals und zur Einhaltung einer vorbestimmten Oszillatorfrequenz dienende Vorrichtung.The power supply proposed to solve the problem posed for Feeding a resonance load consists of the excitation coil for an evaporation source, by means of which a current can be generated in an evaporation material, and an electrical one capacitive element connected in series with the excitation coil and is according to the invention characterized by one for generating an output signal with a control signal voltage-regulated oscillator serving a given frequency, one on the oscillator signal addressable and for feeding power into the load with the frequency of the oscillator signal serving device, one for monitoring the phases of those fed into the load Voltage, as well as the voltage developed on the capacitive element and for generation of the output signals corresponding to the relative phases of the voltages Phase detector, one responsive to the phase detector output signals and for Generating a signal of the relative phases of the voltage being fed into the load and the voltage of the corresponding mean amplitude developed across the capacitive element and one for comparing the mean amplitude of the latter Signal with a reference signal whose level is a predetermined difference in the monitored phases, and to change the voltage of the dependent of deviations of the mean amplitude from the level of the reference signal to the Oscillator applied control signal and to maintain a predetermined oscillator frequency serving device.
Es wurde gefunden, daß die Gefahr einer Beschädigung der Schalttransistoren dadurch wesentlich herabgesetzt werden kann, daß das An- und Abschalten derselben dann erfolgt, wenn der Stromdurchgang durch die Transistoren null ist.It has been found that there is a risk of damage to the switching transistors are thereby significantly reduced can that turning on and off the same then takes place when the current passage through the transistors is zero.
Das erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Netzgerät dadurch, daß es im Resonanzbetrieb arbeitet. Bei dem erfindungsgemäßen Netzgerät ist daher ein Kondensator elektrisch in Reihe mit der Erregerspule einer Verdampfungsquelle geschaltet. Eine phasenverriegelte Schleife dient dazu, das Netzgerät mit der Resonanz frequenz von Spule und Kondensator zu betreiben. Die Ermittlung des Resonanzbetriebs erfolgt dadurch, daß die Phasen von Erregerspannung und Spannung am Kondensator miteinander verglichen werden, welche bei Resonanz um 900 phasenverschoben sind. Der spannungsgeregelte Oszillator wird durch ein Signal gesteuert, welches der Phasenabweichung gegenüber einer Phasenverschiebung von 900 entspricht. Durch die phasenverriegelte Schleife wird die Frequenz der Ausgangsleistung auf der Resonanzfrequenz der Last gehalten.This is done in the power supply unit according to the invention in that it is in Resonance mode works. In the power supply unit according to the invention, there is therefore a capacitor electrically connected in series with the excitation coil of an evaporation source. One phase-locked loop is used to supply the power supply with the resonance frequency of Operate coil and capacitor. The determination of the resonance mode takes place in that the phases of the excitation voltage and voltage on the capacitor with each other which are phase shifted by 900 at resonance. The voltage regulated Oscillator is controlled by a signal which opposes the phase deviation corresponds to a phase shift of 900. Through the phase locked loop the frequency of the output power is kept at the resonance frequency of the load.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Netzgerät ist im nachfolgenden anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen ist Fig. 1 ein teilweise als Blockschaltbild dargestellter Schaltplan eines erfindungsgemäß ausgebildeten Netz geräts und Fig. 2 eine grafische Darstellung von Wellenformen an verschiedenen Punkten der Schaltung von Fig. 1.The power supply unit proposed according to the invention is shown below explained in more detail using the exemplary embodiment shown in the drawings. In the drawings, Fig. 1 is a circuit diagram partially shown in block diagram form a network device designed according to the invention, and FIG. 2 shows a graphical representation of waveforms at various points in the circuit of FIG.
In Fig. 1 ist das Netzgerät in Verbindung mit einer Resonanzlast 10 dargestellt, die hier aus einer Spule 11 besteht, welche beispielsweise die Erregerspule einer entfernt vom Netzgerät angeordneten, induktiv beheizten Verdampfungsquelle ist. In diesem Falle ist die Erregerspule durch Kabal mit dem Netzgerät verbunden. Die Erregerspule erhitzt das zu verdampfende Material, indem in diesem ein Strom induziert wird, wobei sich die am Netzgerät anliegende Impedanz mit Veränderungen von Zustand und Menge des Materials etwas verändert. In Fig. 1 ist die sich verändernde Impedanz der Last durch einen zur Spule 11 parallel geschalteten Widerstand 11a dargestellt. Die Last umfaßt außerdem einen elektrisch in Reihe mit der Spule geschalteten Kondensator 12. Dieser Kondensator befindet sich vorzugsweise innerhalb des Gehäuses des Netzgeräts, wobei die Parameter von Spule und Kondensator so bemessen sind, daß die Last bei der gewählten Betriebsfrequenz für die Verdampfungsquelle in Resonanz schwingt.In FIG. 1, the power supply unit is in connection with a resonance load 10 shown, which here consists of a coil 11, which, for example, the excitation coil an inductively heated evaporation source located remotely from the power supply unit is. In this case, the excitation coil is connected to the power supply unit by means of a cable. The excitation coil heats the material to be vaporized by adding in this a current is induced, whereby the impedance applied to the power supply unit with changes in the condition and quantity of the material changed somewhat. In Fig. 1 is the changing impedance of the load through a coil connected in parallel Resistor 11a shown. The load also includes one electrically in series with the coil connected capacitor 12. This capacitor is preferably located inside the case of the power supply unit, with the parameters of coil and capacitor are sized so that the load at the selected operating frequency for the evaporation source vibrates in resonance.
Das Netzgerät umfaßt einen spannungsgeregelten Oszillator 21, der ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz durch ein Steuersignal vorgegeben ist. Der spannungsgeregelte Oszillator ist von an sich bekannter Ausführung und arbeitet innerhalb eines Betriebsfrequenzbereichs, der die Resonanzfrequenz der Last umfaßt.The power supply comprises a voltage-controlled oscillator 21, the generates an output signal, the frequency of which is predetermined by a control signal. The voltage-regulated oscillator is of a known design and works within an operating frequency range which includes the resonant frequency of the load.
Die Einspeisung von Energie in die Last erfolgt mit der vom Oszillator vorgegebenen Frequenz, gesteuert durch die Resonanzfrequenz der Last. Zu diesem Zweck ist mit dem Oszillatorausgang ein Phasenteiler 22 verbunden, der von bekannter Ausführung sein kann und zwei Ausgangssignale erzeugt, welche die gleiche Frequenz wie das Oszillatorsignal bzw. eine Phasendifferenz von 1800 aufweisen. Die Ausgänge des Phasenteilers sind in einer Gegentakt-Endstufe mit den Basen der Transistoren 23 und 24 verbunden. Die Emitter beider Transistoren liegen an Masse, während die Kollektoren dieser Transistoren mit der Primärwicklung eines Endtransformators 26 verbunden sind. Diese Primärwicklung weist einen Mittenabgriff auf, der mit einer Spannungsquelle +V verbunden ist. Die Sekundärwicklung des Endtransformators 26 ist mit der Last 10 verbunden.The feed of energy into the load takes place with that of the oscillator given frequency, controlled by the resonance frequency of the load. To this Purpose, a phase splitter 22 is connected to the oscillator output, which is known from Execution can be and generates two output signals which have the same frequency like the oscillator signal or have a phase difference of 1800. The exits of the phase splitter are in a push-pull output stage with the bases of the transistors 23 and 24 connected. The emitters of both transistors are grounded, while the Collectors of these transistors with the primary winding of a final transformer 26 are connected. This primary winding has a center tap that is connected to a Voltage source + V is connected. The secondary winding of the final transformer 26 is connected to the load 10.
Weiterhin umfaßt das Ntetzgerät einen Phasenschieberdetektor 30, welcher die Phasen der in die Last 10 eingespeisten Spannung und der am Kondensator 12 erzeugten Spannung überwacht. Der Phasendetektor umfaßt die Inverter 31, 32 und die UND-Gatter 33, 34 wobei der Ausgang des Inverters 31 mit jeweils dem einen Eingang der beiden UND-Gatter 33 und 34 verbunden ist. Der Ausgang des Inverters 32 ist mit dem zweiten Eingang des UND-Gatters 33 verbunden. Eine Leitung 36 verbindet die Sekundarwicklung des Endtransformators 26 mit des Eingang des Inverters 31 und führt dem Phasendetektor ein Signal zu, dessen Phase der an die Last angelegten Speisespannung entspricht. Die Primärwicklung eines Transformators 37 ist parallelgeschaltet dem Kondensator 12, während die Sekundärwicklung dieses Transformators 37 über eine Leitung 38 mit dem Eingang des Inverters 32 und dem zweiten Eingang des UED-Gatters 34 verbunden ist. Das über die Leitung 38 angelegte Eingangssignal ist phasengleich mit der am Kondensator 12 anliegenden Spannung.Furthermore, the power supply includes a phase shift detector 30, which the phases of the voltage fed into the load 10 and that generated on the capacitor 12 Voltage monitored. The phase detector comprises the inverters 31, 32 and the AND gates 33, 34 wherein the output of the inverter 31 with one input of the two AND gates 33 and 34 is connected. The output of inverter 32 is with the second Input of AND gate 33 connected. A line 36 connects the secondary winding of the output transformer 26 to the input of the inverter 31 and leads to the phase detector a signal whose phase corresponds to the supply voltage applied to the load. The primary winding of a transformer 37 is connected in parallel with the capacitor 12, while the secondary winding of this transformer 37 via a line 38 with the input of the inverter 32 and the second input of the UED gate 34 are connected is. The input signal applied via line 38 is in phase with the am Capacitor 12 applied voltage.
Die Ausgänge der UND-Gatter 33, 34 steuern die Betätigung der Schalter 41, 42. Diese Schalter sind in der Zeichnung nur schematisch dargestellt und bestehen in der Praxis vorzugsweise aus Elektronikschaltern, wobei die Ausgänge der UND-Gatter mit den Steuereingängen dieser Schalter verbunden sind Eine Klemme des Schalters 41 ist mit einer Bezugsspannung VREF verbunden, während die andere Klemme dieses Schalters illit der einen Klemme des Schalters 42 verbunden ist. Die zweite Klemme des Schalters 42 liegt an Masse, und ein Widerstand 44 ist zwischen den miteinander verbundenen Klemmen der beiden Schalter und dem negativen Eingang eines Differentialverstärkers 46 geschaltet. Wie weiter unten im einzelnen ersichtlich, weist das am negativen Eingang des Verstärkers 46 erscheinende Signal eine mittlere Größe auf, welche den relativen Phasen von Last- und Kondensatorspannung entspricht.The outputs of the AND gates 33, 34 control the actuation of the switches 41, 42. These switches are shown only schematically in the drawing and exist in practice, preferably from electronic switches, the outputs of the AND gate connected to the control inputs of these switches One terminal of the switch 41 is connected to a reference voltage VREF, while the other terminal is connected to this Switch illit one terminal of the switch 42 is connected. The second clamp of switch 42 is grounded, and a resistor 44 is between each other connected terminals of the two switches and the negative input of a differential amplifier 46 switched. As can be seen in detail below, this shows the negative Input of the amplifier 46 appearing signal to a medium size, which the corresponds to the relative phases of load and capacitor voltage.
Ein einstellbares Signal, dessen Größe in etwa der Hälfte der Bezugsspannung VREF entspricht, wird an den positiven Eingang des Verstärkers 46 durch einen Spannungsteiler angelegt, der aus einem Regelpotentiometer 47 und einem Festwidertstand 48 besteht. Regelpotentiometer 47 und Festwiderstand 48 haben etwa gleiche Nennwerte. Ein Kondensator 51 und ein Widerstand 52 sind in Reihe geschaltet zwischen dem Ausgang und dem negativen Eingang des Verstärkers 46, und der Verstärkerausgang ist mit dem Steuereingang des Oszillators 21 verbunden.An adjustable signal, the size of which is roughly half the reference voltage VREF is applied to the positive input of amplifier 46 through a voltage divider created, which consists of a control potentiometer 47 and a fixed resistor 48. Control potentiometer 47 and fixed resistor 48 have approximately the same nominal values. A capacitor 51 and a resistor 52 are connected in series between the output and the negative Input of amplifier 46, and the amplifier output is connected to the control input of the oscillator 21 connected.
Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Netz geräts sei anhand Fig. 2 erläutert. Dazu sein angenommen, daß das Regelpotentiometer 47 zum Betrieb bei Resonanz frequenz eingestellt ist, d.h. daß die am positiven Eingang des Verstärkers 46 angelegte Spannung gleich ist der Hälfte der Bezugsspannung VREF Außerdem wird davon ausgegangen, daß der Oszillator 21 mit der Resonanzfrequenz der Last 10 arbeitet, so daß die am Kondensator 12 anliegende Spannung der Speisespannung um 900 voreilt, wie durch die Wellenformen V36 und V34 in Fig. 2(a) dargestellt ist. In dieser Situation sind die Ausgänge V33 und V34 von UND-Gatter 33 bzw. UND-Gatter 34 beide hoch während genau einem Viertel jeder Periode des Ausgangssignals. Wenn der Ausgang V33 hoch ist, ist Schalter 41 geschlossen, und während dieser Viertelperiode sind Spannung V44 und der negative Eingang von Verstärker 46 gleich der Bezugsspannung VREF Wenn der Ausgang V34 des UND-Gatters 34 hoch ist, ist Schalter 42 geschlossen, und während dieser Viertelperiode beträgt die Eingangsspannung V44 gleich null. Während der Halbperiode, in der die Ausgänge der UND-Gatter beide niedrig sind, sind beide Schalter 41 und 42 offen, und die Eingangsspannung V44 ist gleich der Bezugs spannung am positiven Eingang des Verstärkers 44, d.h. gleich der halben Bezugsspannung VREF Das Steuersignal VC am Ausgang des Verstärkers 46 ist proportional dem Unterschied zwischen dem mittleren Pegelwert der Eingangsspannung V44 und der an den positiven Eingang angelegten Bezugsspannung. Bei Resonanz ist der Mittelwert der Eingangsspannung V44 gleich der halben Bezugsspannung VREF, das Steuersignal ist stetig, und der Oszillator 21 arbeitet durchgehend in Resonanzfrequenz.The operation of the network device according to the invention is based on FIG. 2 explained. For this purpose it is assumed that the control potentiometer 47 is used for operation Resonance frequency is set, i.e. that at the positive input of the amplifier 46 applied voltage is equal to half of the reference voltage VREF assumed that the oscillator 21 operates at the resonance frequency of the load 10, so that the voltage applied to the capacitor 12 leads the supply voltage by 900, as shown by waveforms V36 and V34 in Figure 2 (a). In this situation the outputs V33 and V34 of AND gate 33 and AND gate 34, respectively, are both high during exactly one quarter of each period of the output signal. When the output V33 is high switch 41 is closed and there is voltage during this quarter period V44 and the negative input of amplifier 46 equal to the reference voltage VREF Wenn the output V34 of AND gate 34 is high, switch 42 is closed, and during of this quarter period, the input voltage V44 is equal to zero. During the Half cycle in which the outputs of the AND gates are both low are both switches 41 and 42 open, and the input voltage V44 is equal to the reference voltage am positive input of amplifier 44, i.e. equal to half the reference voltage VREF The control signal VC at the output of the Amplifier 46 is proportional the difference between the mean level value of the input voltage V44 and the reference voltage applied to the positive input. If there is a response, the mean value is of the input voltage V44 is equal to half the reference voltage VREF, the control signal is continuous, and the oscillator 21 operates continuously at the resonance frequency.
Sollte die Oszillatorfrequenz über die Resonanz frequenz anwachsen, wie in Fig. 2(b) dargestellt ist, eilt die am Kondensator 12 anliegende Spannung der Speisespannung um weniger als 900 vor. In diesem Zustand ist der Ausgang des UND-Gatters 33 während eines größeren Teils der Periode hoch als der Ausgang des UND-Gatters 34, und der Mittelwert der Spannung V44 ist größer als die halbe Bezugsspannung VREF. Folglich besteht das Ausgangssignal des Verstärkers 46 aus einer negativen Spannung, die proportional ist dem mittleren Unterschied zwischen Spannung V44 und der halben Bezugsspannung VREF Dieses negative Steuersignal setzt die Frequenz des Oszillatorsignals herab, bis die Resonanzfrequenz wiederum erreicht ist.Should the oscillator frequency increase above the resonance frequency, as shown in Fig. 2 (b), the voltage across the capacitor 12 rushes the supply voltage by less than 900. In this state the output of the AND gate 33 is high for a greater portion of the period than the output of the AND gate 34, and the mean value of the voltage V44 is greater than half the reference voltage VREF. As a result, the output of amplifier 46 will be negative Voltage proportional to the mean difference between voltage V44 and of half the reference voltage VREF This negative control signal sets the frequency of the Oscillator signal down until the resonance frequency is reached again.
Sollte die Oszillatorfrequenz niedriger werden als die Resonanzfrequenz, wie in Fig. 2(c) dargestellt ist, eilt die Spannung am Kondensator 12 der Speisespannung um mehr als 900 vor. In dieser Situation ist der Ausgang des UND-Gatters 34 während eines größeren Teils der Periode höher als der Ausgang des UND-Gatters 33, und der mittlere Wert der Spannung V44 ist niedriger als die Hälfte der Bezugsspannung VREF. Das Steuersignal VC ist eine positive Spannung, durch welche die Oszillatorfrequenz wiederum zur Resonanzfrequenz gesteigert wird.Should the oscillator frequency become lower than the resonance frequency, as shown in Fig. 2 (c), the voltage across capacitor 12 rushes the supply voltage by more than 900 before. In this situation, the output of AND gate 34 is during a greater part of the period is higher than the output of AND gate 33, and the mean value of voltage V44 is lower than half of the reference voltage VREF. The control signal VC is a positive voltage through which the oscillator frequency is again increased to the resonance frequency.
Die Erfindung weist mehrere interessante Merkmale und Vorteile auf. Das Netzgerät arbeitet mit der Resonanzfrequenz der Last, und wenn die Resonanzfrequenz triften oder nach unten oder nach oben abweichen sollte, wird der Oszillator schnell und wirksam auf die neue Resonanz frequenz eingestellt. Auf diese Weise lassen sich die Schalttransistoren des Netzgeräts bei Stromdurchgang null an- und abschalten, wodurch die Möglichkeit einer Beschädigung der Schalttransistoren weitgehend ausgeschaltet und gleichzeitig die Leistungsabgabe der Transistoren ganz erheblich gesteigert ist.The invention has several interesting features and advantages. The power supply works with the resonance frequency the load, and if the resonance frequency drifts or deviates downwards or upwards the oscillator is quickly and effectively set to the new resonance frequency. on In this way, the switching transistors of the power supply unit can be switched off when the current passes through zero on and off, eliminating the possibility of damaging the switching transistors largely switched off and at the same time the power output of the transistors entirely is increased significantly.
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Claims (5)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19752551150 DE2551150A1 (en) | 1975-11-14 | 1975-11-14 | Power supply network for resonant loads - incorporates voltage controlled oscillator controlled by phase difference between voltage supplied to load and that across capacitor in load |
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| DE19752551150 DE2551150A1 (en) | 1975-11-14 | 1975-11-14 | Power supply network for resonant loads - incorporates voltage controlled oscillator controlled by phase difference between voltage supplied to load and that across capacitor in load |
Publications (1)
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|---|---|
| DE2551150A1 true DE2551150A1 (en) | 1977-05-26 |
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ID=5961739
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19752551150 Withdrawn DE2551150A1 (en) | 1975-11-14 | 1975-11-14 | Power supply network for resonant loads - incorporates voltage controlled oscillator controlled by phase difference between voltage supplied to load and that across capacitor in load |
Country Status (1)
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|---|---|
| DE (1) | DE2551150A1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |