HU219258B - Device for feeding an electric load of pregiven nominal voltage - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya berendezés előre megadott névleges feszültségűvillamos terhelés táplálására, amely berendezés tápfeszültségforráscsatlakoztatására való bemenettel, valamint a terhelés (Lo)csatlakoztatására való kimenettel, továbbá a terhelésre (Lo)csatlakoztatott kimenetre tűimpulzus-sorozatot juttató tűimpulzus-formáló áramkörrel (6) van ellátva, ahol a találmány szerint atűimpulzusok feszültségamplitúdója legalább az 1,7-szerese a névlegesfeszültségnek (UZnenn), és legfeljebb a névleges feszültségnek(UZnenn) az impulzusszünet-időtartamból és az impulzus-időtartambólmint osztóból képzett hányados négyzetgyökével szorzott értékévelegyenlő. A találmány szerint a tűimpulzus-formáló áramkör (6) olyanelektronikus kapcsolóberendezéssel van felépítve, amely tartalmaz egyállandó áramforrás által feltölthető kondenzátort, két ellenállássalképzett feszültségosztót referenciafeszültség előállítására, egy, areferenciafeszültségre és kondenzátorfeszültségre kapcsolt – akondenzátorfeszültségnek a referenciafeszültség fölé történőemelkedése esetén begyújtó – UJT-szerű kapcsolást, egy, az UJT-szerűkapcsolás és a kondenzátorra csatlakoztatott – az UJT-szerű kapcsolásbegyújtása révén egy tűimpulzus időtartamára vezetési állapotbakapcsolt – tranzisztort. ŕ

Description

A találmány tárgya berendezés előre megadott névleges feszültségű villamos terhelés táplálására, amely berendezés tápfeszültségforrás csatlakoztatására való bemenettel, valamint a terhelés csatlakoztatására való kimenettel, továbbá a terhelésre csatlakoztatott kimenetre tűimpulzus-sorozatot juttató tűimpulzus-formáló áramkörrel van ellátva.

A találmány tárgykörébe tartozó berendezések a legegyszerűbb esetben egy olyan áramkör zárására szolgáló mechanikus kapcsolóból állnak, amely áramkör egy tápfeszültségforrást, például elemet (telepet) vagy hálózatot, a terheléssel köt össze. A terhelés jellemzően izzólámpa. Az áramkör túlterhelés elleni védelemre biztosítékkal is el lehet látva.

Kapcsolástechnikai intézkedések révén a terhelés több vagy kevesebb energiával táplálható, hogy például izzólámpa esetén a fényerősség 0 és 100% között legyen választható. Ez például potenciométer segítségével valósítható meg. Jelenleg elterjedtek a tirisztorokkal vagy triakokkal ellátott késleltető-vezérlő áramkörök, amelyek a váltakozó feszültség minden egyes félhullámát választhatóan egy késleltetett időpontban kapcsolják össze a terheléssel.

A villamos terhelés egyenárammal vagy váltakozó árammal való táplálásának megvannak a maga előnyei és hátrányai. Különösen izzólámpáknál és más világítótesteknél azzal kísérleteztek, hogy a hatásfok növelésével a fényhasznosítást javítsák (meghatározott villamos teljesítmény esetén).

Villamos terhelések táplálása vonatkozásában különösen léptetőmotoroknál vagy hasonlóknál ismert, hogy a terhelésre impulzus alakú tápfeszültséget kapcsolnak, ahol az impulzussorozat impulzusaránya, azaz az impulzus-időtartamnak az impulzusszünet-időtartamhoz való viszonya, a terheléshez hozzávezetett 0-100% tartományba eső teljesítményt határozza meg.

Egy ilyen impulzus alakú táplálás szélső esetében a terheléshez tisztán egyenáram jut. Ebben az esetben az impulzus-időtartam 100%-ot, az impulzusszünet-időtartam pedig 0%-ot tesz ki, ami az impulzusarány (impulzus-időtartam/impulzusszünet-időtartam) vonatkozásában végtelen értéket eredményez. A feszültségimpulzusok feszültségamplitúdója ebben az esetben mindenkor a terhelés névleges feszültségének felel meg.

Ilyen jellegű berendezést ismertet az US-A5 130 608. Ennél a berendezésnél a bemenetre váltakozó feszültség van kapcsolva, amelynek feszültségamplitúdója 100 V. A kimenetre pedig egy izzólámpa van kapcsolva, amelyre 100 V feszültségamplitúdóval rendelkező nagyon rövid időtartamú impulzusokat juttatnak. Ennél a berendezésnél nem ismerték fel, hogy az izzólámpa névleges feszültségére méretezhető a megoldás.

Az US-A-4 964 028 áramkorlátozott feszültségátalakítót ismertet, amely egy áramkörben lévő meghatározott feszültségű terheléseknek a táplálására egy meghatározott feszültséget szolgáltat, amely a terhelések névleges feszültségének felel meg.

A találmány célja, hogy villamos terhelés táplálására olyan berendezést hozzunk létre, amely a terhelés táplálására alkalmas, a terhelés névleges feszültségéhez viszonyítva méretezett tűimpulzusok előállítására alkalmas, és a technika állásával összehasonlítva hatásfokát tekintve előnyös energiahasznosítást tesz lehetővé.

A feladat megoldására előre megadott névleges feszültségű villamos terhelés táplálására olyan berendezést hoztunk létre, amely tápfeszültségforrás csatlakoztatására való bemenettel, valamint a terhelés csatlakoztatására való kimenettel, továbbá a terhelésre csatlakoztatott kimenetre tűimpulzus-sorozatot juttató tűimpulzus-formáló áramkörrel van ellátva, ahol a találmány szerint a tűimpulzusok feszültségamplitúdója legalább az 1,7-szerese a névleges feszültségnek, és legfeljebb a névleges feszültségnek az impulzusszünet-időtartamból és az impulzus-időtartamból mint osztóból képzett hányados négyzetgyökével szorzott értékével egyenlő.

A találmány szerint a tűimpulzus-formáló áramkör olyan elektronikus kapcsolóberendezéssel van felépítve, amely tartalmaz egy állandó áramforrás által feltölthető kondenzátort, két ellenállással képzett feszültségosztót referenciafeszültség előállítására, egy, a referenciafeszültségre és kondenzátorfeszültségre kapcsolt - a kondenzátorfeszültségnek a referenciafeszültség fölé történő emelkedése esetén begyújtó - UJT-szerű kapcsolást, egy, az UJT-szerű kapcsolásra és a kondenzátorra csatlakoztatott - az UJT-szerű kapcsolás begyújtása révén egy tűimpulzus időtartamára vezetési állapotba kapcsolt - tranzisztort.

Ideális esetben ezen tűimpulzusok Dirac-impulzusok, azaz rendkívül nagy amplitúdójú és rendkívül kicsi, de stabil időtartamú impulzusok. A terheléshez hozzávezetett tűimpulzusok amplitúdóját a jelenleg rendelkezésre álló, impulzusok előállítására szolgáló elektronikus kapcsolóeszközök korlátozzák. A jelenleg rendelkezésre álló elektronikus kapcsolóeszközök segítségével 100 ns nagyságrendbe eső impulzus-időtartamok valósíthatók meg. Ennek megfelelően nagyon nagy feszültségeket lehet alkalmazni, amelyek egy vagy két nagyságrend tartományába eső szorzóval nagyobbak, mint a terhelés névleges feszültsége.

Gondoskodni kell arról, hogy a terheléshez hozzávezetett tápfeszültség ne legyen lényegesen nagyobb, mint a névleges feszültség. A tápfeszültségből és névleges feszültségből képzett hányados és a fogyasztó hatásfoka (például az izzólámpa fényhasznosítása) és annak élettartama között összefüggés mutatható ki. Amennyiben például egy 100 V névleges feszültségű izzólámpát csak 90 V-tal táplálunk, úgy rosszabbodik annak hatásfoka, azaz a fényhasznosítás lényegesen csökken. A csökkenő hatásfokkal ugyanakkor viszont növekszik az élettartam. Amennyiben viszont a tápfeszültséget 110 V-ra növeljük, úgy a hatásfok, azaz a megadott példa esetén a fényhasznosítás javul, viszont csökken az élettartam. Amennyiben a tápfeszültség lényegesen nagyobb, például 1,5-ös szorzóval nagyobb, mint a névleges feszültség, úgy a terhelés (például izzó) rövid időn belül tönkremegy.

A találmány szerinti jellemzőknek köszönhetően a terhelés optimális paraméterekkel működhet.

A találmány szerinti berendezés esetén a tűimpulzusok impulzusaránya hozzávetőlegesen legfeljebb 0,3,

HU 219 258 Β amely az impulzus-időtartamnak az impulzusszünet-időtartamhoz való, például 3:10 viszonyának felel meg.

Egy Dirac-impulzus nagyszámú felharmonikust tartalmaz. A villamos terhelés az összes komponenst felhasználja. Az olyan terheléseknél, amelyek tisztán induktív jellegűek vagy induktív komponenseket tartalmaznak, a terheléssel ellenpárhuzamosan dióda van kapcsolva.

A találmány szerint a tűimpulzusok állandó impulzus-időtartammal rendelkeznek, viszont egyben rendkívül keskenyek és viszonylag nagy feszültségamplitúdóval rendelkeznek. Az impulzusok egyenáramú impulzusok, azaz azonos polaritású impulzusok.

A terhelés leadott teljesítményének szabályozása egyszerű módon az impulzusszünet-időtartamok megfelelő nyújtásával történik. A terhelés legnagyobb teljesítményénél az impulzusarányt (impulzus-időtartam/impulzusszünet-időtartam) a lehető legnagyobb értékre, azaz 0,3-ra állítjuk be. A tápfeszültség-amplitúdónak, azaz a tűimpulzusok feszültségamplitúdójának a névleges feszültséghez való viszonya ebben az esetben hozzávetőlegesen 1,7-tel egyenlő (>/3). Előnyben részesítendők az olyan feszültségviszonyok, amelyek 1,7-nél, különösen 3-nál, különösen előnyösen 5-nél nagyobb értékűek. A terhelés névleges feszültsége nem lehet kisebb, mint a tűimpulzusoknak az impulzusidőtartamhoz viszonyított impulzusszünet-időtartam négyzetgyökével osztott feszültségamplitúdója, azaz UZ^UA/^tp/t,).

Annak érdekében, hogy rövid impulzusoknál nagy kapcsolási sebességeket éljünk el, elektronikus kapcsolókat kell alkalmazni. A találmány szerint ezért a berendezés bemenete és kimenete között gyors működésű elektronikus kapcsoló van kapcsolva. Itt például alkalmazhatunk térvezérlésű tranzisztorokat (FET) vagy bipoláris tranzisztorokat. A térvezérlésű tranzisztornak gyors működésű kapcsolóként való alkalmazása esetén meghatározott feszültséggel történő vezérlés valósul meg. Amennyiben bipoláris tranzisztort alkalmazunk, áram szerinti vezérlés valósul meg.

A nagy feszültségamplitúdójú tűimpulzusok alkalmazása olyan intézkedéseket igényel, amelyek a környezet, és különösen a tápfeszültségforrás felé irányuló zavaró hatását kiküszöbölik. A találmány szerint a berendezés bemenete aluláteresztő LC-szűrővel van ellátva. Ezen aluláteresztő szűrő biztosítja a tűimpulzusok számára a szükséges energiaellátást, másrészt pedig megakadályozza a visszahatást a feszültségforrásra.

Az energiának a terhelés felől a tápfeszültségforrás felé történő visszaáramlását különösen azzal akadályozhatjuk meg, ha a berendezés kimenete felé nyitó irányban záródiódát kapcsolunk.

A találmány szerint a névleges feszültségérték a tűimpulzusok feszültségamplitúdójával számtanilag az impulzusarány négyzetgyökén keresztül áll kapcsolatban. Megadott névleges feszültség és 1:10 tptp impulzusarány esetén a tűimpulzusok feszültségamplitúdójának nem szabad nagyobbnak lenni a névleges feszültség hozzávetőlegesen háromszorosánál. A feszültségimpulzusok előre megadott nagysága (ami lényegében telep által szolgáltatott feszültségnek felel meg) esetén a névleges feszültségnek tehát legfeljebb az impulzusarány négyzetgyökének megfelelő szorzóval lehet kisebb, mint a telepfeszültség. Ezt a feltételt azon kitétel alapján határoztuk meg, hogy a terhelés ugyan sokkal nagyobb pillanatnyi teljesítményt fogad, mint amennyit a névleges teljesítmény kitenne, viszont a terhelésre hosszabb idő alatt ugyanakkora energiát kell juttatni, mint a hagyományos megoldások esetén.

A találmányt az alábbiakban előnyös kiviteli példák kapcsán a mellékelt rajzra való hivatkozással részletesebben is ismertetjük, ahol a rajzon az

1. ábrán villamos terhelés táplálására szolgáló berendezés vázlata, a

2. ábrán ideális Dirac-tűimpulzushoz hasonló tűimpulzus impulzusdiagramja, a

3. ábrán tűimpulzus-sorozat, a

4. ábrán villamos terhelés táplálására szolgáló, az

1. ábrán csak vázlatosan ismertetett berendezés részletesebb elvi kapcsolási rajza, az

5. ábrán tűimpulzusokat előállító és a 4. ábrán egységként ábrázolt generátor részletes kapcsolási vázlata, a

6. ábrán izzólámpa váltakozó feszültségforrásból egyenirányító segítségével (hagyományos megoldás szerint), illetve tűimpulzus-generátor segítségével (a találmány szerint) való táplálására szolgáló kapcsolási elrendezés, és a

7. ábrán ideális felharmonikus rezgés spektrogramjai és jelalakjai, valamint négy különböző impulzus összehasonlító ábrája látható, ahol a négy impulzus közül a két legfelső sorban bemutatottak [7. ábra (A) és (B)] az előnyben részesített tűimpulzusoknak (NI) felelnek meg és a 7 (C) és 7 (D) szerinti impulzusok tűimpulzusokként még alkalmazhatók.

Az 1. ábra szerint UB feszültséget szolgáltató 2 feszültségforrásra tűimpulzus-formáló 6 áramkörön keresztül UZ_nenn névleges feszültségű L_o terhelés van kapcsolva.

A 2 feszültségforrást telep vagy hagyományos egyenirányító képezheti, amely például 220 V-os hálózati váltakozó feszültségből transzformátor, egyenirányító és simítókondenzátor segítségével egyenfeszültséget képező UB feszültséget szolgáltat.

Ezen konkrét kiviteli példa esetén az L_o terhelést ohmos terhelés, különösen villamos izzólámpa képezi. Az itt leírt kiviteli példák induktív és kapacitív vagy összetett (ohmos, induktív és kapacitív komponenseket tartalmazó terhelések) terhelések vonatkozásában alkalmazhatók. A találmány különösen előnyösen kis hatásfokú ohmos, induktív és kapacitív terhelésekhez, mint például izzólámpákhoz, elektroakusztikai átalakítókhoz stb. alkalmazható.

Ahogy az 1. ábrán jelöltük, a találmány szerint az UB feszültség az L_o terhelés UZ_nenn névleges feszültségének a sokszorosa.

A tűimpulzus-formáló 6 áramkör az UB feszültségből az alábbiakban még részletezésre kerülő kapcsolás3

HU 219 258 Β technikai intézkedések révén tűimpulzus-sorozatot (Dirac-impulzushoz hasonlóak) állít elő, ahol az egyes tűimpulzusok UA feszültségamplitúdója az UB feszültségnek felel meg, és az impulzusarány (impulzus-időtartam/impulzusszünet-időtartam) beállítható és legfeljebb 0,3-mal egyenlő.

Ahogy a 3. ábrából kitűnik, az ott bemutatott NI tűimpulzusok az UB feszültségnek lényegében megfelelő UA feszültségamplitúdóval rendelkeznek, amelynek értéke az L_o terhelés UZ_nenn névleges feszültségének hozzávetőleg a négyszerese. Az UZ_nenn névleges feszültség 250 V-nál nagyobb (az ábrán az értékek a mérethűség igénye nélkül vannak feltüntetve). A bemutatott példa esetén a tj impulzus-időtartamnak a tp impulzusszünetidőtartamhoz való viszonya hozzávetőleg 1:16. Az NI tűimpulzusokból álló impulzussorozat T periódusidővel rendelkezik, kivéve az első periódust, amely T_o periódusidővel rendelkezik, ahol T₀>T, ami kapcsolástechnikai okokra vezethető vissza. Az impulzusok között NP impulzusszünet van.

A 2. ábrán egyetlenegy NI tűimpulzus látható felnagyítva. Az NI tűimpulzus a Dirac-impulzushoz (ideális) hasonló, azaz ezt megközelíti. Az NI tűimpulzus teljes t, impulzus-időtartama 100 ns-nál kisebb t_L impulzusfelfütási időt, az NI tűimpulzus tetőszélességét magában foglaló, hozzávetőleg 100 ns-mal (legfeljebb 200 ns) egyenlő t_D időtartamot, valamint 500 ns-nál kisebb t_T impulzuslefütási időt foglal magában. Az UA feszültségamplitúdó 10 és 1000 V közötti tartományba esik.

A 4. ábra az 1. ábrán csak vázlatosan bemutatott tűimpulzus-formáló 6 áramkört ismerteti részletesebben. Az ábra bal oldalán a tűimpulzus-formáló 6 áramkör bemenete látható, amelyre az UB feszültség van kapcsolva, míg az ábra jobb oldalán a tűimpulzus-formáló 6 áramkör kimenete látható, amelyre UZ^,, névleges feszültségű L_o terhelés (1. ábra) van kapcsolva. A 6 áramkör bemenetéhez 62 tekercsből és 64 kondenzátorból álló aluláteresztő LC-szűrő csatlakozik. A 6 áramkör továbbá elektronikus 66 kapcsolóval és 68 tűimpulzus-generátorral van ellátva.

Az elektronikus, a bemutatott kiviteli példa esetén önzáró FET-ként (térvezérlésű tranzisztor) kiképzett 66 kapcsoló G kapuelektródját meghatározott feszültséggel a 68 tűimpulzus-generátor vezérli. Az L_o terheléssel ellenpárhuzamosan D2 dióda van kapcsolva. Az elektronikus 66 kapcsoló és a kimenet között visszáramzáró Dl dióda van nyitóirányúan kapcsolva.

A 68 tűimpulzus-generátorra Μ, K kivezetések közé iktatott, HS főkapcsolóból és 70 potenciométerből álló soros kapcsolás van kapcsolva, amelynek segítségével a tp impulzusszünet-időtartam állítható, ennek végtelen értékét a HS főkapcsoló nyitásával állítjuk be, ami a 68 tűimpulzus-generátor kikapcsolásának felel meg. További, a példánál az egyszerűsítés kedvéért elhagyott állítóelemek továbbá lehetővé teszik a tj impulzus-időtartam beállítását, a 68 tűimpulzus-generátor tiltását, illetve engedélyezését, az impulzusok külső szinkronizálását és modulálását és külön az impulzusszünet beállítását.

A 68 tűimpulzus-generátor üzemi tápárama a FET által képzett 66 kapcsoló S forráselektródjának és a tűimpulzus-generátor közötti összeköttetésen, valamint a 68 tűimpulzus-generátor és a berendezésnek a

4. ábrán látható közös alsó gyűjtősíne közötti összeköttetésen keresztülfolyik.

Az 5. ábra a 4. ábra szerinti, a gyakorlatban kisméretű (10x20x30 mm) modulként kiképzett 68 tűimpulzus-generátomak egy lehetséges kiviteli alakját részletesebben ismerteti. Az itt bemutatott 68 tűimpulzus-generátor 5 és 100 V közötti tartományba eső UB feszültségekhez van kialakítva. 10 és 1000 V közötti UB feszültségekhez és 20 W-ig teqedő teljesítményekhez kialakított nagyobb modulok is előállíthatok a jelenleg szokásos alkatrészekkel. [Az elektronikus alkatrészek (építőelemek) fejlődése a jövőben várhatóan lehetővé teszi a néhány tízezer V-os tartományba eső feszültségamplitúdók előállítását is].

A legnagyobb előre beállított impulzusarány a bemutatott példa esetén 1:9. Egy itt részletesebben nem bemutatott, hermetikusan történő lezárás (burkolás) a berendezés vonatkozásában -20 °C és +60 °C hőmérséklet-tartományban stabil működést biztosít.

A H és L kivezetés között R2 ellenállásból és két 10, 20 diódából álló soros kapcsolás van beiktatva. A 10,20 diódák közös pontja n-p-n tranzisztorként kiképzett TI tranzisztor bázisára van kötve, a TI tranzisztor kollektora C kondenzátoron keresztül a H kivezetésre, emittere pedig az M kivezetésre van kötve. Az L kivezetésre RÍ ellenállás egyik csatlakozópontja van csatlakoztatva. Az RÍ ellenállás másik csatlakozópontja pedig K kivezetéssel van összekötve. A TI tranzisztor, a 20 dióda és az RÍ ellenállás áramgenerátorként működik, ahol a 20 dióda nyitóirányú feszültsége nagyobb, mint a TI tranzisztor bázis-emitter nyitófeszültsége. A H és L kivezetésekre kapcsolt feszültség hatására a TI tranzisztor bázisán lévő potenciál növekszik, a TI tranzisztor nyit, és az RÍ ellenállástól, az M és K kivezetések között levő 70 potenciométertől és a 20 diódától függően állandó áramot szolgáltat, amely az 5. ábra bal felső sarkában lévő C kondenzátort tölti fel.

Ezzel egyidejűleg az 5. ábra jobb oldali része szerint a H és L kivezetések közé iktatott, RÍ 3 és R14 ellenállásokból álló feszültségosztón keresztül áram folyik, úgyhogy az R13 és R14 ellenállások között U_r referenciafeszültség áll be. Ha a C kondenzátor teljesen fel van töltve, az U_c kondenzátorfeszültség hozzávetőleg az U_r referenciafeszültségnek az 1,05-szöröse. Erről egy egyrétegű tranzisztorszerű tranzisztorkapcsolás - a továbbiakban UJT-szerű kapcsolás - gondoskodik, amely két T3, T5 tranzisztorból áll, ahol a T3 tranzisztor n-p-n tranzisztor, amelynek B2 bázisa p-n-p tranzisztort képező T5 tranzisztor kollektorával, míg a T5 tranzisztor Bl bázisa a T3 tranzisztor kollektorával van összekötve. A T3 tranzisztor B2 bázisa továbbá Rll ellenálláson keresztül az R13, R14 ellenállások közös pontjával van összekötve. A T5 tranzisztor El emittere sorba kapcsolt RIO ellenálláson és R9 ellenálláson keresztül a H kivezetésre van kötve. Az R9, RIO ellenállások közös pontja T4 tranzisztor bázisára van kötve. A T4 tranzisztor p-n-p tranzisztor, amelynek emittere R6 ellenálláson át a H kivezetésre, kollektora pedig 60 diódán és

HU 219 258 Β sorba kapcsolt R7, R8 ellenállásokon át L kivezetésre van kötve. Az R7, R8 ellenállások közös pontja T2 tranzisztor bázisával van összekötve. A T2 tranzisztor n-p-n tranzisztor, amelynek emittere az L kivezetésre, kollektora pedig R16 ellenálláson át G kapuelektródra van kapcsolva. Addig, amíg a T3 tranzisztor E2 emitterén lévő potenciál nagyobb, mint az U_r referenciafeszültség, az UJT-szerű kapcsolás az R9 és RIO ellenállásokon keresztüli áramfolyást letiltja.

Mihelyt az U_c kondenzátorfeszültség olyan értéket ér el, amely hozzávetőleg 5%-kal nagyobb, mint az U_r referenciafeszültség, a tűimpulzus impulzusfelfutási szakasza megkezdődik (a 2. ábrán t_L impulzusfelfutási idő). Az UJT-szerű kapcsolás gyújtása révén az R9 és RIO ellenállásokon keresztül áram folyik és a T4 tranzisztor bázispotenciáljának az emitterpotenciálhoz képesti gyors csökkenése következtében ugrásszerűen nyit, és NI tűimpulzus képződik, amely a Dirac-impulzushoz hasonló. Ennek során a 60 diódán és az R7 és R8 ellenállásokon is folyik áram. A T2 tranzisztor bázisának potenciálnövekedése következtében a T2 tranzisztor nyit, aminek hatására a TI tranzisztor ugrásszerűen zár. Ezáltal a C kondenzátor töltése megszűnik. A C kondenzátorban tárolt energia az UJT-szerű kapcsoláson és lényegében az R9, RIO ellenálláson keresztül a H kivezetésre jut. Az R9, RIO ellenállások és a T4 tranzisztor bázisa közötti összeköttetésnek köszönhetően ekkor a T4 tranzisztor vezető állapotba kerül. A 2. ábra szerinti t_D időtartamot az 5. ábra szerinti kapcsolási elrendezésben a kondenzátor kisülési útja határozza meg, amelyet az UJT-szerű kapcsolás (El emitter), az RIO ellenállás, valamint az R9 ellenállásból, a T4 tranzisztor bázisemitter átmenetéből és az R6 ellenállásból álló párhuzamos kapcsolás képez.

Az UJT-szerű kapcsolás nyitási ideje addig tart, míg a C kondenzátor majdnem teljes mértékben ki nem sül. A C kondenzátor csak az első NI tűimpulzus gyújtása előtt volt teljes mértékben üres, ezért az első T_o periódusidő viszonylag hosszú. Az UJT-szerű kapcsolás zárása a

2. ábra szerinti t_T impulzuslefútási idő alatt megy végbe.

A 6. ábrán olyan kapcsolási elrendezés látható, amely egyrészt terhelést képező izzólámpa táplálására szolgáló hagyományos berendezést, másrészt pedig egy találmány szerinti berendezést mutat.

Egy 220 V-os váltakozó feszültségű hálózatra két, TRI és TR2 transzformátor van csatlakoztatva. A TRI transzformátor szekunder oldalán egy kétutas (teljes hullámú) egyenirányító 15 V-os váltakozó feszültséget egyenirányít és 12 V-os GB izzólámpa csatlakoztatására szolgáló kimenetre juttat. A kimeneten áram- és feszültségmérő található. A mechanikus HS főkapcsoló segítségével ezen fogyasztói áramkör ki- és bekapcsolható.

A TR2 transzformátor szekunder tekercse 48 V-os váltakozó feszültséget juttat egy kétutas egyenirányítóhoz - amelyre L1 tekercsből és CE kondenzátorból álló szűrő van csatlakoztatva -, így hozzávetőlegesen 60 V-os egyenfeszültség áll rendelkezésre a CE kondenzátoron.

A tűimpulzus-formáló 6 áramkör a fentiekben az 5. ábra kapcsán leírt módon ebből egy tűimpulzus-sorozatot állít elő. Az NI tűimpulzusok a kimenetre kerülnek, amelyre terhelésként 12 V-os GB izzólámpa van csatlakoztatva. A kapcsolódugóként kialakított HS főkapcsolóba 70 potenciométer van beépítve, úgyhogy ezen szerkezet az impulzusszünetek vezérlőelemeként működik és egyszerű módon a vonatkozó áramkör teljes vezérlését teszi lehetővé.

A 6. ábra szerinti elrendezés lehetővé teszi, hogy rossz hatásfokú ohmos terhelés (izzólámpa) táplálásának hagyományos és találmány szerinti módját összehasonlítsuk.

A 7. ábra bal oldali részén különböző, 1:7,2 és 1:180 közötti impulzus-időtartam/impulzusszünetidőtartam viszonyokkal jellemezhető négy impulzussorozat és egy ideális szinuszos rezgés függvényei láthatók. Az összes rezgésfuggvény T periódusideje szándékosan 20 msec időtartamra van beállítva, ami pontosan az 50 Hz megismétlési frekvenciájának felel meg. Mind az öt rezgésfüggvény azonos nagyságú A amplitúdóval jellemezhető. A T periódusidő kezdete és vége a szinuszos rezgés pozitív félhullámának csúcspontjában [a 7. ábrán (E)] kezdődik, illetve pontosan az impulzusok közepén a négy impulzussorozat esetén, hogy a vonatkozó rezgésekhez tartozó Fourier-sorokat egyszerűbben ábrázolhassuk. A T periódusidőt teljes egészében 2 Π-vel, illetve 360°-kal jelöltük.

A mindenkori impulzusok időtartama mind fél p „nyitásszögük”, mind fél időtartamuk segítségével van megadva.

A Fourier-analízis szerint az összes rezgés a hozzájuk tartozó Fourier-sorral írható le, úgyhogy egy meghatározott, kiszámítható és mérhető számú, szinuszos rezgést képviselnek meghatározott frekvenciákkal és amplitúdókkal. A harmonikus komponensek összeadása eredményeként az alapfüggvényt kapjuk meg.

A vonatkozó öt rezgéshez tartozó feszültségek (a 7. ábra bal oldalán) a 7. ábra jobb oldalán látható spektrumokkal jellemezhetők. Megjegyzendő, hogy a szinuszos komponensek spektrumamplitúdiói a négy impulzussorozat vonatkozásában nem mértékhűen vannak ábrázolva (az ábrán a tűimpulzus-sorozatokra vonatkozó spektrumvonalak felnagyítva vannak ábrázolva).

Az ábrából kitűnik, hogy a szinuszos rezgés 7. ábra (E) szerinti spektrumában lévő A amplitúdó pontosan az időtartamra vonatkozó amplitúdónak felel meg.

Az impulzussorozatok spektrumai vonatkozásában viszont több szinuszos komponensből álló halmaz képződik. Ez a halmaz annál nagyobb, minél keskenyebbek az impulzusok.

A találmány szerint előnyösen olyan, 1:3 vagy ennél kisebb impulzusaránnyal (impulzusszünet-időtartam/impulzus-időtartam viszony) jellemezhető impulzusokat alkalmazhatunk, amelyek a lehetőségekhez mérten minél keskenyebbek, például olyanok, mint a 7. ábra (A), (B), (C) és esetleg még (D) szerinti impulzusok. A 7. ábra (D) szerinti impulzusok olyan spektrummal jellemezhetők, amelyben az egyes spektrumvonalak nagyon egyenetlenek. Az amplitúdók nagyon eltérőek lehetnek, mint ahogy azt a 7. ábra vázlatosan mutatja.

HU 219 258 Β

A találmány szerinti célokra különösen előnyös spektrummal rendelkezik a 7. ábra felső részében bemutatott két spektrum. Egyes komponenseik gyakorlatilag azonos értékűek és viszonylag kis - a 7. ábra (A) diagramján látható értéknél lényegesen kisebb - amplitúdóértékkel jellemezhetők.

A 7. ábra (A) diagramjához tartozó, az ábra jobb oldalán látható spektrum azért tekinthető különösen előnyösnek, mivel a kis amplitúdók és az egyes jelkomponensek rövid időtartama következtében az ezen jellel táplált kapcsolási elrendezésnél megfelelő stabilitás érhető el.

Amennyiben a találmány szerinti berendezéshez olyan tűimpulzus-generátort alkalmazunk, amely 1:180 impulzusaránnyal jellemezhető és a 7. ábra (A) diagramján látható tűimpulzusokat állít elő, úgy nagyon nagy számú szinuszos komponenst nyerünk, amelyeknek amplitúdója viszonylag kicsi és olyan p nyitási félszöggel jellemezhető, amelyre érvényes, hogy p=l°=0,017 rád. A mindenkor azonos nagyságú amplitúdók kiszámítása a jelen példa esetén az impulzusamplitúdó 1%-ánál valamivel kisebb értéket eredményez.

Az 1. és 4. ábrán bemutatott berendezés révén ezenkívül a jelenleg szokásos kapcsolóberendezésekkel nem teljesíthető, meghatározott előnyök érhetők el.

a) Az impulzusformáló 6 áramkör felépítése lehetővé teszi, hogy - kiegészítőegység csatlakoztatásával a technika állásából ismert, úgynevezett „lágy hőkapcsolás” funkciója megvalósítható legyen. E megoldással a terhelésként kapcsolt GB izzólámpa élettartama növelhető.

b) Különleges kapcsolástechnikai intézkedések alkalmazása nélkül fokozatmentes szabályozás lehetséges 0 és egy maximális érték közötti tartományban, a tűimpulzusok (NI) előállítására alkalmazott impulzusformáló 6 áramkörök úgy vannak felépítve, hogy különösebb ráfordítás nélkül lehetővé teszik tp impulzusszünet-időtartam változtatását.

A találmány szerinti berendezés egyenáramú motorok táplálásához alkalmazható. Különösen egyenáramú motoroknál előnyösebb, ha azokat rövid impulzusokkal működtetjük, és nem hosszabbakkal. Az itt alkalmazott mágneses anyagok ugyanis hosszú impulzusok esetén könnyebben kerülnek telített állapotba, és a hatásfok csökken. Amennyiben az ilyen motorokat kHz tartományba eső kapcsolási frekvencia mellett impulzusokkal működtetjük, úgy a telítettségre visszavezethető veszteségek elkerülhetők.

Claims (17)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Berendezés előre megadott névleges feszültségű villamos terhelés táplálására, amely berendezés tápfeszültségforrás csatlakoztatására való bemenettel, valamint a terhelés csatlakoztatására való kimenettel, továbbá a terhelésre csatlakoztatott kimenetre tűimpulzussorozatot juttató tűimpulzus-formáló áramkörrel van ellátva, azzal jellemezve, hogy a tűimpulzusok (NI) feszültségamplitúdója (UA) legalább az 1,7-szerese a névleges feszültségnek (UZ_nenn), és legfeljebb a névleges feszültségnek (UZ_nenn) az impulzusszünet-időtartamból (tp) és az impulzus-időtartamból (t>) mint osztóból képzett hányados négyzetgyökével (vtp/tj) szorzott értékével egyenlő (UA<UZ_nenn-x/tp/t,).
2. 2. Berendezés előre megadott névleges feszültségű villamos terhelés táplálására, amely berendezés tápfeszültségforrás csatlakoztatására való bemenettel, valamint a terhelés csatlakoztatására való kimenettel, továbbá a terhelésre csatlakoztatott kimenetre tűimpulzussorozatot juttató tűimpulzus-formáló áramkörrel van ellátva, azzal jellemezve, hogy a tűimpulzus-formáló áramkör (6) olyan elektronikus kapcsolóberendezéssel van felépítve, amely tartalmaz:

   a) egy állandó áramforrás által feltölthető kondenzátort (C),

   b) két ellenállással (R13, R14) képzett feszültségosztót referenciafeszültség (U_r) előállítására,

   c) egy, a referenciafeszültségre (U_r) és kondenzátorfeszültségre (U_c) kapcsolt - a kondenzátorfeszültségnek (U_c) a referenciafeszültség (U_r) fölé történő emelkedése esetén begyújtó - UJT-szerű kapcsolást,

   d) egy, az UJT-szerű kapcsolásra és a kondenzátorra (C) csatlakoztatott - az UJT-szerű kapcsolás begyújtása révén egy tűimpulzus (NI) időtartamára vezetési állapotba kapcsolt - tranzisztort (T4).
3. 3. A 2. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a tűimpulzusok (NI) feszültségamplitúdója (UA) a névleges feszültségnek (UZ^J legalább az 1,7-szerese.
4. 4. A 2. vagy 3. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a tűimpulzusok (NI) feszültségamplitúdója (UA) legfeljebb az impulzusszünet-időtartamból (tp) és az impulzus-időtartamból (tj) mint osztóból képzett hányados négyzetgyökével (Vtp/tj) szorzott névleges feszültség (UZ_nenn) értékének felel meg [UA<UZ_nenn ^-‘'/(t_p/t_I)].
5. 5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az impulzus-időtartamnak (tj) az impulzusszünet-időtartamhoz (tp) való viszonya (tj/tp) 0,1-nél, előnyösen 0,006-nál, különösen előnyösen 0,0001-nél kisebb.
6. 6. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a tűimpulzusok (NI) állandó impulzus-időtartammal (tj) rendelkeznek, és két-két szomszédos tűimpulzus (NI) közötti impulzusszünetidőtartam (tp) változtatható.
7. 7. A 6. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az impulzus-időtartamnak (t_T) az impulzusszünet-időtartamhoz (tp) való viszonya (tj/tp) nagyobb, mint 0 és legfeljebb 0,3.
8. 8. Az 1 -7. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a tűimpulzusok (NI) egyenáramú impulzusok, azaz azonos polaritású impulzusok.
9. 9. Az 1-8. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a terheléssel (L_o) ellenpárhuzamosan dióda (D2) van kapcsolva.
10. 10. Az 1-9. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy elektronikus, gyors működésű kapcsolóval (66) van ellátva.

    HU 219 258 Β
11. 11. A 8. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a bemenetre aluláteresztő LC-szűrő van kapcsolva.
12. 12. Az 1-11. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a kimenet elé visszáramzáró dióda (Dl) van kapcsolva.
13. 13. Az 1-12. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a tűimpulzusok (NI) teljes időtartama legfeljebb 1000 ns, előnyösen legfeljebb 700 ns.
14. 14. Az 1-13. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a tűimpulzusok (NI) impulzusfelfutási ideje (t_L) legfeljebb 100 ns.
15. 15. Az 1-14. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a tűimpulzusok (NI) te tőszélességére vonatkozó időtartam (t_D) a működés ál tál meghatározva legfeljebb 200 ns, előnyösen legfel5 jebb 100 ns.
16. 16. Az 1-15. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a tűimpulzusok (NI) impulzuslefutási ideje (t_T) legfeljebb 500 ns.
17. 17. Az 1-16. igénypontok bármelyike szerinti be10 rendezés, azzal jellemezve, hogy a tűimpulzusok legkisebb periódusideje (T) előnyösen 100 ns.