RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 162247 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 282832 (22) Data zgłoszenia: 18.12.1989 (51) IntCl5: H02M 3/335 Przetwornica rezonansowa (43) Zgłoszenie ogłoszono: (76) Uprawniony i twórca wynalazku: 01.07.1991 BUP 13/91 Maciej Jagusztyn, Warszawa, PL Zenon Łopaciuk, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.09.1993 WUP 09/93 PL 162247 B1 Przetwornica rezonansowa utworzona z obwo- du pierwotnego zasilanego ze źródła prądu stałego, z (57) obwodu wtórnego zasilającego odbiornik energii oraz z transformatora sprzęgającego obwód pierwotny z wtórnym, której obwód pierwotny zawiera impulsowy generator wzbudzający posiadający wyjście impulsów oraz wejście synchronizujące i wejście przestra- jąjące częstotliwość impulsów, układ synchronizacji generatora i układ regulacji amplitudy prądu sterującego pierwotne uzwojenie transformatora mający cyfrowe i analogowe wejście sterowania, znamienna tym, że wejście przestrąjające (VF) generatora wzbudząjącego (SVCO) jest połączone przez rezystor (R1) i kondensator (C1) z doprowadzeniami zasilania obwodu pierwotnego (11,12), 1 1, 12), wejście synchronizujące (ST/RES) generatora wzbudzającego (SVCO) jest połączone z wyjściem (ST/RES) szczytowego detektora która napięcia zmiennego w obwodzie wtórnym (2), stanowiącego układ synchronizacji (SC) generatora (SVCO), cyfrowe wejście (CP) sterowania układu regulacji amplitudy (AR) jest połączone z wyjściem impulsów (CP) generatora wzbudzającego (SVCO), a analogowe wejście (DCF) sterowania układu regulacji amplitudy (AR) jest połączone z obwodem wtórnym (2). dzającego
PRZETWORNICA REZONANSOWA Z a s t r z e ż e n i e p a t e n t o w e Przetwornica rezonansowa utworzona z obwodu pierwotnego zasilanego ze źródła prądu stałego, z obwodu wtórnego zasilającego odbiornik energii oraz z transformatora sprzęgającego obwód pierwotny z wtórnym, której obwód pierwotny zawiera impulsowy generator wzbudzający posiadający wyjście impulsów oraz wejście synchronizujące i wejście przestrajające częstotliwość impulsów, układ synchronizacji generatora i układ regulacji amplitudy prądu sterującego pierwotne uzwojenie transformatora mający cyfrowe i analogowe wejście sterowania, z n a m i e n n a t y m, że wejście przestrajające (VF) generatora wzbudzającego (SVCO) jest połączone przez rezystor (R1) i kondensator (C1) z doprowadzeniami zasilania obwodu pierwotnego (11,12), wejście synchronizujące (ST/RES) generatora wzbudzającego (SVCO) jest połączone z wyjściem (ST/RES) szczytowego detektora napięcia zmiennego w obwodzie wtórnym (2), stanowiącego układ synchronizacji (SC) generatora (SVCO), cyfrowe wejście (CP) sterowania układu regulacji amplitudy (AR) jest połączone z wyjściem impulsów (CP) generatora wzbudzającego (SVCO), a analogowe wejście (DCF) sterowania układu regulacji amplitudy (AR) jest połączone z obwodem wtórnym (2). * * * Przedmiotem wynalazku jest przetwornica rezonansowa napięć stałych ogniw elektromechanicznych na napięcia wielokrotnie podwyższone. Przetwornica jest przeznaczona do zasilania przenośnych urządzeń z wyświetlaczami plazmowymi, lampami obrazowymi lub wyładowczymi, detektorami promieniowania jonizyjącego oraz aparatury kontrolno-pomiarowej o zasilaniu bateryjnym. Elektroniczne przetwornice napięć stałych DC na stałe lub zmienne AC napięcia lub prądy elektryczne, nazywane również konwerterami DC-DC lub DC-AC, są odmianą urządzeń zasilających dopasowujących lub/i izolujących źródła i odbiorniki energii w sprzęcie elektronicznym. Wszystkie przetwornice zawierają obwód pierwotny zasilany przez źródło energii prądu stałego, obwód wtórny współpracujący z odbiornikiem energii i element sprzęgający obwód pierwotny z obwodem wtórnym. W obwodzie pierwotnym energia źródła prądu stałego jest przekształcana na postać energii przenoszoną przez transformator sprzęgający, a w obwodzie wtórnym pośrednia postać energii jest przekształcana na energię elektryczną w sposób dopasowany do jej odbiornika. Znane przetwornice DC-DC i DC-AC (falowniki) różnią się wykonaniem obwodu pierwotnego i wtórnego oraz rodzajem elementu sprzęgającego i pośrednią postacią energii; którą jest energia zmiennego pola magnetycznego, elektrycznego, światła lub energia sprężystości ciał stałych. Najszersze zastosowania znajdują obwody pierwotne będące impulsowymi, prądowymi modulatorami napięcia stałego, obwody wtórne złożone z prostowników oraz ze stabilizatorów elektronicznych i transformatory jako elementy sprzęgające, przenoszące zmienne pole magnetyczne jako pośrednią postać energii. Najprostsze transformatorowe przetwornice samowzbudne wykazują niekorzystną zależność częstotliwości pracy i amplitudy napięcia wtórnego od rodzaju i stanu odbiornika energii. Zmniejsza to ich sprawność rozruchową i jałową oraz uzależnia samowzbudzenie od wielu cech źródła zasilania obwodu pierwotnego. Podstawowe wady przetwornic samowzbudnych usunięto w obcowzbudnych przetwornicach transformatorowych kosztem zwiększenia złożoności konstrukcyjnej oraz zwiększenia minimalnego napięcia zasilania do wartości około 3V. Jest to niekorzystne w sprzęcie przenośnym z powodu konieczności używania co najmniej dwóch typowych ogniw elektrochemicznych albo kosztownego ogniwa litowego jako źródła zasilania. Główną wadą znanych przetwornic transformatorowych jest bardzo mała sprawność
162 247 3 rozruchowa i jałowa przy dużym współczynniku podwyższenia napięcia i małym prądzie odbiornika energii. Wada ta wielokrotnie zmniejsza czas pracy ciągłej i zwiększa koszt eksploatacji sprzętu z takimi odbiornikami energii o bardzo dużym zakresie zmian prądu zasilania, jak wyświetlacze plazmowe, lampy obrazowe i wyładowcze, detektory promieniowania jonizującego, fotopowielacze i próbniki izolacji. Na przykład, jałowa moc zasilania detektorów promieniowania jonizującego jest rzędu 0,01 mw, a moc mierników i wskaźników promieniowania z tymi detektorami jest tysiące razy większa wynosząc 10-50 mw, co ogranicza ich zakres pracy ciągłej do kilkudziesięciu godzin. Innym przykładem wad przetwornic samowzbudnych są zasilacze lamp błyskowych w aparatach fotograficznych wykazujące jałową moc zasilania kilkaset razy większa od dostarczanej do odbiornika energii, co powoduje rozładowanie ogniw już po kilku godzinach jałowej pracy zasilacza. Rozruchowa sprawność produkowanych przetwornic transformatorowych nie przekracza 0,1-3% sprawności nominalnej w wyniku trudności i kosztów wykonania układów elektronicznych optymalizujących czas trwania, amplitudę oraz częstotliwość impulsów prądowych w każdych warunkach pracy przetwornicy. Z tego powodu produkowane układy scalone regulatorów czasu trwania, częstotliwości i amplitudy impulsów prądowych oraz scalone modulatory przetwornic mają zakresy regulacji rzędu 5-20, dostosowane do typowych zmian mocy zasilania odbiornika energii, a w stanach nieustalonych po przekroczeniu zakresu regulacji wymagają wielokrotnie większej mocy zasilania. Niekorzystnym skutkiem małej sprawności rozruchowej produkowanych przetwornic transformatorowych jest nieuzasadniony obiektywnie wzrost kosztu eksploatacji sprzętu o dużej energii magazynowej w obwodzie wtórnym przetwornicy, co dotyczy także urządzeń o dużym współczynniku podwyższania napięcia. Na przykład, koszty eksploatacji lampy wyładowczej są co najmniej kilkakrotnie większe od obiektywnie uzasadnionych wskutek strat energii przy rozruchu przetwornicy. Pomimo tego, że rezonansowe przetwornice transformatorowe wykazują bliską teoretycznej sprawności jałową i rozruchową, to nie są one seryjnie produkowane z powodu zależności częstotliwości rezonansu od chwilowej mocy obciążenia, warunków pracy i rozrzutu parametrów podzespołów przetwornicy. Osiągnięcie dużej sprawności energetycznej wymaga niezwłocznego i dokładnego samodostrojenia rezonansu za pomocą automatu zawierającego impulsowy generator wzbudzający posiadający wyjście impulsów oraz wejście synchronizujące i wejście przestrajające częstotliwość impulsów, układ synchronizacji generatora oraz układ regulacji amplitudy prądu sterującego pierwotne uzwojenie transformatora mający zarówno analogowe wejście sterowania, jak i cyfrowe wejście sterowania, które przełącza układ regulacji do stanu wysokiej impedancji w czasie wyłączenia prądu sterującego transformator. Wykonanie takiego automatu nawet ze scalonych układów generatora przestrajanego napięciem (VCO) i regulatora fazy (PLL) jest trudne i możliwe tylko dla przetwornic o zasilaniu 3-18 V z obciążeniem o powolnych zmianach mocy; wskutek niestabilności automatu o zbyt krótkim czasie całkowania sygnałów niezrównoważenia. Wyklucza to ekonomiczne korzyści z wykorzystania zalet przetwornic rezonansowych w przenośnym sprzęcie elektronicznym. Istotą wynalazku jest przetwornica rezonansowa wyróżniająca się tym, że wejście przestrajające generatora wzbudzającego jest połączone przez rezystor i kondensator z doprowadzeniami zasilania obwodu pierwotnego, wejście synchronizujące generatora wzbudzającego jest połączone z wyjściem szczytowego detektora napięcia zmiennego w obwodzie wtórnym, stanowiącego układ synchronizacji generatora, cyfrowe wejście sterowania układu regulacji amplitudy jest połączone z wyjściem generatora wzbudzającego, a analogowe wejście sterowania układu regulacji amplitudy jest połączone z obwodem wtórnym. Stwierdzono, że w porównaniu z przetwornicami DC-DC komercyjnych lamp błyskowych i mierników promieniowania (radiometrów) przetwornica rezonansowa według wynalazku wykazuje kilkanaście razy większą sprawność rozruchową (26-60%) oraz ponad
4 162 247 dziesięciokrotnie mniejszą jałową moc zasilania (0,4 mw) i funkcjonuje niezawodnie przy zasilaniu z typowych pojedyńczych ogniw elektrochemicznych i akumulatorów o napięciu 0,9-2V i najmniejszym koszcie jednostki energii. Potwierdzające zalety wynalazku wartości sprawności rozruchowej i jałowej mocy zasilania uzyskano przy lepszej od 1% dokładności stabilizacji napięć wyjściowych regulowanych w zakresie 3-6V (napięcie zasilania wyświetlaczy LCD i układów scalonych CMOS) oraz 300-900V (napięcie zasilania detektora promieniowania albo kondensatora lampy wyładowczej) dla zmian mocy obciążeń w zakresie 1-100 mw ograniczonym tylko przez miniaturowy transformator przykładowej przetwornicy. Zastosowanie wynalazku zapewnia kilkudziesięciokrotne zmniejszenie kosztu eksplotacji przenośnego sprzętu elektronicznego dzięki dużej sprawności energetycznej i wydatne zmniejszenie rozmiarów oraz masy sprzętu dzięki zasilaniu pojedyńczym ogniwem elektrochemicznym o zmniejszonej pojemności. Koszt podzepsołów wykonanej według wynalazku przetwornicy rezonansowej nie przekracza przy tym kosztu profesjonalnego ogniwa zasilającego i przy produkcji seryjnej może być obniżony do wartości tylko o 10-20% większej od kosztu transformatora, dzięki możliwości zastąpienia podzespołów elektronicznych przetwornicy specjalizowanym układem scalonym (ASIC) o cenie mniejszej od 0.3USD. Dużą sprawność rozruchową przetwornicy osiągnięto dzięki zastosowaniu generatora wzbudzającego, którego częstotliwość jest przestrajana od wartości minimalnej wynikającej z dopuszczalnej mocy obciążenia do wartości większej od częstotliwości rezonansowej nieobciążonej przetwornicy przez prosty układ RC wytwarzający monotonicznie zmienne napięcie po włączeniu zasilania, którego stała czasu optymalizuje rozruch przetwornicy. W ten sposób nieznana dokładnie i silnie zmienna częstotliwość rezonansowa jest niezawodnie odszukiwana w całym dopuszczalnym zakresie warunków pracy, a źródło zasilania i transformator są zabzepieczone przed przeciążeniami powodującymi straty energii. Precyzyjne samodostrojenie generatora wzbudzającego do gazy i częstrotliwości rezonansu zapewnia układ synchronizacji, który wyzwala generator w energetycznie optymalnej chwili czasu, gdy energia pola magnetycznego w transformatorze jest najmniejsza, a zatem w czasie ekstremum napięcia jego oscylacji własnych. Prostym układem o takich własnościach jest szczytowy detektor napięcia zmiennego we wtórnym obwodzie przetwornicy. Dokładne zrównoważenie energii dostarczanej do transformatora z energią dostarczaną do obwodu wtórnego i traconą w transformatorze osiągnięto przy pomocy układu regulacji amplitudy prądu pierwotnego uzwojenia transformatora, który jest także stabilizatorem napięcia albo prądu proporcjonalnego do parametru zasilania odbiornika energii. Rozwiązanie takie eliminuje duże straty energii na zasilanie stabilizatora w obwodzie wtórnym, występujące przy dużym współczynniku podwyższenia napięcia. Przy ustalaniu szczegółowego schematu elektrycznego przetwornicy rezonansowej rozwiązanej według wynalazku stosuje się komputerowe wspomaganie projektowania układów elektronicznych, na przykład przy pomocy takich znanych programów analizy układów elektronicznych jak PICAD lub SPICE. Wynalazek objaśniono bliżej przy pomocy rysunku na przykładzie wykonania przetwornicy rezonansowej do zasilania przenośnych radiometrów albo aparatów fotograficznych na którym fig. 1 przedstawia blokowy schemat przetwornicy rezonansowej, fig. 2-schemat elektryczny układów synchronizacji, regulacji amplitudy i części układu generatora wzbudzającego, a fig. 3 czasowe zależności napięć i prądów przy rozruchu przetwornicy i w typowych warunkach jej pracy. Według fig. 1 rysunku przetwornica rezonansowa VC posiada obwód pierwotny 1, który jest zasilany ze źródła prądu stałego B z wyłącznikiem S przez doprowadzenie zasilania 11 i 12 obwodu pierwotnego 1, oraz obwód wtórny 2, który zasila odbiorniki energii LV i HV przez węzły wyjściowe 21, 22, 23 i 24. Odbiornik LV jest układem elektronicznym z układami scalonymi CMOS, IIL lub bipolarnymi o napięciu zasilania VL=3-6V, a odbiornik HV jest lampą błyskową, albo detektorem promieniowania o wysokim napięciu zasilania
162 247 5 VH=100-3500V i małym prądzie jałowym rzędu 1nA. Źródłem B jest typ o w e pojedyńcze ogniwo elektrochemiczne 1,1-3V, na przykład akumulator Nicd 1,2V lub alkaliczne ogniwo 1,5V. Obwody 1 i 2 sprzęgają energetycznie transformator sprzęgający TR o uzwojeniach pierwotnym W1 i wtórnych W2 i W3 wykonanych na rdzeniu o dużej dobroci. Obwód wtórny 2 zawiera zasilane z uzwojeń wtórnych W2 i W3 układy podwajaczy napięcia i filtry RC utworzone z diod D, kondensatorów C, Co i z oporników R. Obwód 2 rozwiązany jak na fig. 1 zapewnia osiągnięcie proporcjonalności napięć zasilania VL i VH odbiorników LV i HV dzięki której niekorzystną energetycznie stabilizację napięcia VH zastąpiono stabilizacją napięcia VL=3-6V. Doprowadzenie DCF i COM są doprowadzeniami napięcia VL do układu AR regulacji amplitudy prądu sterującego I pierwotne uzwojenie W1 transformatora TR. Doprowadzenia ACF i COM są doprowadzeniami napięcia zmiennego na uzwojeniu W2 do układu SC synchronizacji generatora w obowdzie 1. Wyjście ST/RES układu synchronizacji SC jest połączone z wejściem synchronizującym ST/RES impulsowego generatora wzbudzającego SVCO. Sygnał synchronizujący ST/RES wyzwala generator SVCO w dowolnej fazie jego działania. Generator SVCO posiada wejście przestrajające VF, którego napięcie VF określa częstotliwość generacji prostokątnych impuslów prądu lub napięcia na wyjściu CP generatora SVCO. Czas trwania tych impulsów wyznacza czas wzbudzenia impulsów prądu sterującego I w pierwotnym uzwojeniu W1 transformatora TR i w celu osiągnięcia małych strat energii przy rozruchu przetwornicy powinien być on mniejszy od 20% okresu oscylacji napięcia na uzwojeniu W1. Na figurze 2 uwidoczniono przykładowe rozwiązanie schematu elektrycznego układów synchronizacji SC, regulacji amplitudy AR i części generatora SVCO. Generator SVCO zawiera jeden ze znanych układów napięciowo przestrajanego generatora impulsów prostokątnych VCO, integrator RC utworzony z rezystora R1 i kondensatora C1, przez które wejście przestrajające VF jest połączone z doprowadzeniami zasilania 11 i 12 obwodu 1, oraz z rezystora R3 i tranzystorów Q1 i Q2 ograniczających prąd wyjściowy CP oraz doprowadzających sygnał synchronizujący ST/RES do układu VCO w sposób zapewniający zewnętrzne wyzwolenie impulsu prądu na wyjściu CP w dowolnej fazie działania generatora VCO. Prostym układem synchronizacji SC jest układ detektora szczytowego utworzony z tranzystora Q3, kondensatora C2 i rezystora R2, wytwarzający sygnał synchronizujący ST/RES na wyjściu ST/RES w otoczeniu maksimum napięcia synchronizującego na doprowadzeniu ACF. Czas trwania sygnału synchronizującego ST/RES jest określony przez stałą czasu R2C2, która służy do optymalizacji czasu trwania impulsów prądu na wyjściu CP w stanie synchronizmu generatora SVCO z napięcia na uzwojeniu W1. Amplitudę prądu I sterującego pierwotne uzwojenie W1 transformatora TR określa układ regulacji AR utworzony z tranzystorów Q4 i Q5, rezystorów R4, R5 i R6 oraz z diod D1 i D2. Analogowe wejście sterowania DCF i wspólne wyprowadzenie COM układu regulacji AR są połączone doprowadzeniami DCF i COM z odbiornikiem LV w obwodzie wtórnym 2. Część napięcia VL, wytwarzana przez dzielnik diodowo-rezystorowy utworzony z diody D1 i rezystorów R4 oraz R5, jest porównywana z napięciem odniesienia diody referencyjnej D2. Otrzymany w ten sposób sygnał niezrównoważenia regulatora AR jest wzmacniany przez tranzystor Q4 i jako spadek napięcia na rezystorze R6 steruje prądem kolektora szeregowego tranzystora regulacyjnego Q5 połączonego z uzwojeniem W1. Emiter tranzystora Q5 stanowi cyfrowe wejście CP układu regulacji AR i jest połączony z wyjściem CP generatora SVCO. I Uwidoczniony na fig. 2 układ regulacji AR posiada zakres regulacji amplitudy prądu sterującego pierwotne uzwojenie transformatora rzędu miliarda. Zapewnia to lepszą stabilizację napięć VL i VH przetwornicy VC jak na fig. 1 i szerszy przedział zmian mocy dostarczanej do odbiorników LV i HV od wartości osiąganych w przetwornicach z układami regulacji szerokości impulsów prądu sterującego I. Na fig. 3 przedstawiono czasowe zależności napięć i prądów przy rozruchu i typowych warunkach pracy przetwornicy rezonansowej VC jak na fig. 1 i 2. Rozruch przetwornicy inicjuje wyłącznik S w chwili czasu t=0, od której narasta napięcie VF na wejściu przestrajającym VF generatora SVCO.
6 162 247 W chwili czasu t1 generator SVCO i układ regulacji AR generują pierwszy impuls prądowy II zasilający transformator TR energią ogniwa B z maksymalną mocą określoną przez rezystory R3 i R6 ograniczające amplitudę IM prądu I. Dzięki przestrajaniu generatora SVCO impulsy prądowe I2 i I3 są wytwarzane w malejących odstępach czasu t1-t2, t2-t3 podtrzymując gasnące oscylacje napięcia zmiennego ACL i narastanie napięcia VL na odbiorniku LV. Rozruch przetwornicy jest zakończony w przykładowej chwili czasu t4 synchronizmu impulsu I4 i maksimum napięcia ACL, od której przekroczony jest próg działania MIN układu synchronizacji SC i układu regulacji AR. Po rozruchu następuje samodostrojenie czasu t5,t6,te generacji impuslów prądowych I5,I6 i dalszych 17,18, IE do maksimów oscylacji napięcia ACL oraz zachodzi ustalenie napięcia VL w wyniku zmniejszenia amplitudy impulsów prądu I w uzwojeniu W1 do wartości asymptotycznej IE odpowiadającej równowadze układu regulacji AR i bilansu energii w przetwornicy VC. Jednocześnie ustala się napięcie VH, którego współczynnik stabilizacji jest nieznacznie mniejszy od napięcia VL przy prawidłowym wyborze diod D i rezystorów R. Bardzo duży współczynnik stabilizacji napięcia VH osiąga się sterując układ regulacji AR częścią napięcia VH pobraną z dzielnika oporowego. Należy podkreślić, że pomimo prostoty układów elektronicznych przetwornica rezonansowa według wynalazku jest automatem mającym do czterech stopni swobody i opracowanie jej szczegółowego schematu elektrycznego wymaga wykonania symulacji komputerowej w celu zapewnienia stabilności przetwornicy w całym wymaganym zakresie zmian jej warunków pracy i parametrów podzespołów. Fig 1 Fig 2 Fig 3 Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł