RZECZPOSPOLITAPOLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 161916 (13) B2 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 286804 (22) Data zgłoszenia: 07.09.1990 (51) IntCl5: H05B 41/29 (54) Układ elektroniczny przetwornicy (43) Zgłoszenie ogłoszono: 17.06.1991 BUP 12/91 (73) Uprawniony z patentu: Politechnika Rzeszowska im. I.Łukasiewicza, Rzeszów, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.08.1993 WUP 08/93 (72) Twórcy wynalazku: Marek Gotfryd, Rzeszów, PL Włodzimierz Kalita, Rzeszów, PL Kazimierz Zając, Rzeszów, PL Tadeusz Wałach, Rzeszów, PL Tadeusz Turek, Kańczuga, PL PL 161916 B2 (57) 1 Układ elektroniczny przetwornicy, zwłaszcza do zasilania świetlówek, składający się z filtru przeciwzakłóceniowego, którego wyjście połączone jest z prostownikiem sieciowym, którego jedno wyjście połączone j est z generatorem sterującym, a drugie z prz e- ciw sobnym w zm acniaczem m ocy połączonym z układem wyjściowym zaopatrzonym w świetlówkę, przy czym do sprzężenia generatora sterującego ze wzmacniaczem mocy zastosowano transform ator o dwóch uzw ojeniach wyjściowych, znam ienny tym, że w generatorze sterującym (GS) do każdego z zacisków uzwojeń wyjściowych (Z3, Z4) jego transform atora (Tr1) dołączony jest identyczny układ złożony z rezystora (R8, R9), kondensatora (C3, C4) i diody (D1, D2), przy czym każda z tych diod jest włączona równolegle do odpowiedniego rezystora (R8, R9), a j edne końce rezystorów (R8, R9) połączone są poprzez odpowiedni kond e n s a to r (C 3, C4) z d ru g im k o ń cem uzw ojeń wyjściowych (Z3, Z4) transform atora (Tr1), natom iast zaciski kondensatorów (C3, C4) stanowiące dwie pary zacisków wyjściowych generatora sterującego (GS) połączone są z obwodami sterującym tranzystorów bipolarnych (T2, T3) wzmacniacza mocy (WM), zaś kierunek przewodzenia diod (D1, D2) jest przeciwny do kierunku przewodzenia złącza baza-emiter tranzystorów bipolarnych (T2, T3) Fig 1
Układ elektroniczny przetwornicy Zastrzeżenia patentowe 1. Układ elektroniczny przetwornicy, zwłaszcza do zasilania świetlówek, składający się z filtru przeciwzakłóceniowego, którego wyjście połączone jest z prostownikiem sieciowym, którego jedno wyjście połączone jest z generatorem sterującym, a drugie z przeciwsobnym wzmacniaczem mocy połączonym z układem wyjściowym zaopatrzonym w świetlówkę, przy czym do sprzężenia generatora sterującego ze wzmacniaczem mocy zastosowano transformator o dwóch uzwojeniach wyjściowych, znamienny tym, że w generatorze sterującym (GS) do każdego z zacisków uzwojeń wyjściowych (Z3, Z4) jego transformatora (Tr1) dołączony jest identyczny układ złożony z rezystora (R8, R9), kondensatora (C3, C4) i diody (D1, D2), przy czym każda z tych diod jest włączona równolegle do odpowiedniego rezystora (R8, R9), a jedne końce rezystorów (R8, R9) połączone są poprzez odpowiedni kondensator (C3, C4) z drugim końcem uzwojeń wyjściowych (Z3, Z4 ) transformatora (Tr1), natomiast zaciski kondensatorów (C3, C4) stanowiące dwie pary zacisków wyjściowych generatora sterującego (GS) połączone są z obwodami sterującym tranzystorów bipolarnych (T2, T3) wzmacniacza mocy (WM), zaś kierunek przewodzenia diod (D1, D2) jest przeciwny do kierunku przewodzenia złącza baza- - emiter tranzystorów bipolarnych (T2, T3). 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy zacisk zasilania generatora sterującego (GS) oraz kolektor tranzystora (T1) włączone jest obciążenie złożone z rezystora (R6) i równoległego obwodu rezonansowego składającego się z kondensatora (C2) i uzwojenia (Z1) transformatora (Tr1). 3. Układ elektroniczny przetwornicy, zwłaszcza do zasilania świetlówek, składający się z filtru przeciwzakłóceniowego, którego wyjście połączone jest z prostownikiem sieciow ym, którego jedno wyjście połączone jest z generatorem sterującym, a drugie z przeciwsobnym wzmacniaczem mocy połączonym z układem wyjściowym zaopatrzonym w świetlówkę, przy czym do sprzężenia generatora sterującego ze wzmacniaczem mocy zastosowano transformator o dwóch uzwojeniach wyjściowych, znamienny tym, że w generatorze sterującym (GS) do jednego z końców każdego uzwojenia wyjściowego (Z3, Z4) transformatora (Tr1) dołączona jest dioda Zenera (DZ2, DZ3) połączona szeregowo z odpowiednim rezystorem (R8, R9), których drugie końce oraz drugie końce uzwojeń (Z3, Z4) stanowią zaciski wyjściowe generatora sterującego (GS) połączone są z obwodami sterującymi tranzystorów bipolarnych (T2, T3) wzmacniacza mocy (WM), przy czym kierunek przewodzenia diod Zenera (DZ2, DZ3) jest przeciwny do kierunku przewodzenia złącz baza-emiter tranzystorów (T2, T3). 4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że pomiędzy zacisk zasilania generatora sterującego (GS) oraz kolektor tranzystora (T1) włączone jest obciążenie złożone z rezystora (R6) i równoległego obwodu rezonansowego składającego się z kondensatora (C2) i uzwojenia (Z1) transformatora (Tr1). * * * Przedmiote m wynalazku jest układ elektroniczny przetwornicy, zwłaszcza do zasilania świetlówek. Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 143 979 układ elektroniczny przetwornicy do zasilania świetlówek zawierający prostownik, układ startowy, układ blokujący oraz stopień mocy zbudowany na dwóch tranzystorach bipolarnych. W stopniu mocy zrealizowane jest dodatnie prądowe sprzężenie zwrotne, dzięki czemu stopień ten pracuje jako generator mocy, wytwarzając napięcie zmienne, będące wielkością wyjściową przetwornicy. Ten sposób gene-
161 916 3 racji charakteryzuje się niestabilnością wytwarzanej częstotliwości przy zmianach obciążenia przetwornicy, co utrudnia jej stosowanie do zasilania większej ilości świetlówek. Znany jest również z polskiego opisu patentowego nr 148 796 układ do zasilania lamp wyładowczych, zwłaszcza świetlówek zawierający generator sterujący (taktujący) zbudowany na dwóch tranzystorach przeciwstawnych oraz przeciwsobny wzmacniacz mocy zbudowany na dwóch tranzystorach unipolarnych. Generator traktujący sprzężony jest ze wzmacniaczem mocy poprzez transformator, którego dwa uzwojenia wtórne dołączone są do obwodów bramka-źródło tranzystorów wzmacniacza mocy. Wadą przytoczonego wyżej układu jest to, że w generatorze taktującym wykorzystany jest szeregowy obwód rezonansowy, który nie zapewnia uzyskania dobrej stabilności częstotliwości pracy. Inną niedogodnością układu jest zastosowanie w nim kosztownych, wysokonapięciowych unipolarnych tranzystorów mocy. Z kolei znane powszechnie układy elektroniczne przetwornic zawierają na wejściu filtr przeciwzakłóceniowy połączony z przetwornikiem sieciowym, zasilającym pozostałe bramki przetwornicy. Celem wynalazku jest skonstruowanie przetwornicy do zasilania świetlówek pozbawionej wad i niedogodności przytoczonych wyżej znanych układów elektronicznych przetwornic. Istota układu przetwornicy według wynalazku polega na tym, że w jej generatorze sterującym do każdego z zacisków trzeciego i czwartego uzwojenia wyjściowego transformatora dołączony jest identyczny układ złożony z rezystora, kondensatora i diody, przy czym każda z tych diod jest włączona równolegle do wspomnianego rezystora. Ponadto jedne końce rezystorów obu identycznych układów połączone są poprzez kondensatory z drugim końcem trzeciego i czwartego uzwojenia wyjściowego transformatora, a zaciski kondensatorów stanowiące dwie pary zacisków wyjściowych generatora sterującego połączone są z obwodami sterującymi tranzystorów bipolarnych wzmacniacza mocy przetwornicy. Kierunek przewodzenia obu diod jest przeciwny do kierunku przewodzenia złącz baza-emiter tranzystorów bipolarnych. Pomiędzy zacisk zasilania generatora sterującego oraz kolektor tranzystora włączone jest obciążenie złożone z rezystora i równoległego obwodu rezonansowego składającego się z kondensatora i pierwszego uzwojenia transformatora. W odmianie wykonania układu elektronicznego przetwornicy według wynalazku w generatorze sterującym do jednego z końców trzeciego i czwartego uzwojenia wyjściowego transformatora dołączone są diody Zenera połączone szeregowo z rezystorami, których drugie końce wspomnianych uzwojeń wyjściowych stanowiące zaciski wyjściowe generatora sterującego połączone są z obwodami sterującymi tranzystorów bipolarnych wzmacniacza mocy. Kierunek przewodzenia obu diod jest przeciwny do kierunku przewodzenia złącz baza-emiter tranzystorów bipolarnych. Również i w tym wykonaniu pomiędzy zacisk zasilania generatora sterującego oraz kolektor tranzystora włączone jest obciążenie złożone z rezystora i równoległego obwodu rezonansowego składającego się z kondensatora i pierwszego uzwojenia transformatora. Zaletą układu według wynalazku jest możliwość wykonania jego w wersji z użyciem mniej kosztownych o mniejszej rezystancji wejściowej i większym czasie załączania i wyłączania bipolarnych tranzystorów mocy. Ogranicza to możliwość występowania we wzmacniaczu mocy momentów jednoczesnego przewodzenia obu tych tranzystorów, a tym samym ogranicza do minimum straty mocy, zwiększając żywotność tych tranzystorów. Dodatkową zaletą układu przetwornicy jest możliwość blokowania jej pracy na przykład w celu zabezpieczenia przed możliwymi stanami awaryjnymi, jak również możliwość uzyskania dużej stabilności częstotliwości pracy, dzięki temu, że obwód rezonansowy jest równoległy, a nie szeregowy. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowo-blokowy przetwornicy do zasilania świetlówki w wersji podstawowej, a fig. 2 - schemat ideowo-blokowy odmiany wykonania tej przetwornicy. Jak uwidoczniono na fig. 1 i 2 zarówno w wersji podstawowej jak i jej odmianie na wejściu przetwornicy umieszczony jest filtr przeciwzakłóceniowy FP, którego zaciski wyjściowe połączone są z wejściem prostownika P. Jedno z wyjść prostownika P zasila wzmacniacz mocy WM, a drugie generator sterujący GS. Do wyjścia wzmacniacza mocy WM dołączony jest układ
4 161 916 wyjściowy UW do wyjść którego dołączona jest świetlówka (lub świetlówki). W generatorze sterującym GS do jego dolnego zacisku zasilania dołączony jest rezystor R 1, połączony drugim końcem z katodą diody DZ1, której anoda połączona jest z masą układu generatora sterującego GS i całej przetwornicy. Równolegle do diody DZ1 dołączone są: klucz K oraz rezystancyjny dzielnik napięcia złożony z rezystorów R2 i R3. Do punktu wspólnego tych rezystorów dołączone są połączone z sobą szeregowo rezystory R4 i R5, których punkt wspólny połączony jest poprzez kondensator C l z masą układu. Drugi koniec rezystora R5 połączony jest z początkiem uzwojenia Z2 transformatora Tr1, którego drugi koniec połączony jest z bazą tranzystora T 1. Obwód kolektorowy tworzą: rezystor R6. który jednym końcem połączony jest z dodatnim zaciskiem zasilania oraz równoległy obwód rezonansowy złożony z uzwojenia Z1 transformatora Tr1 i kondensatora C2. Koniec uzwojenia Z1 połączony jest z drugim końcem rezystora R6, a początek z kolektorem tranzystora T 1, z ktorego emiter połączony jest poprzez rezystor R7 z masą układu. Transformator Tr1 posiada ponadto dwa uzwojenia wyjściowe Z3 i Z4. W wersji podstawowej układu przetwornicy przedstawionego na fig. 1 do początku uzwojenia Z3 transformatora Tr1 dołączony jest jeden koniec rezystora R8 oraz katoda diody D 1. Drugi koniec rezystora R8 oraz anoda diody D 1 połączone są poprzez kondensator C3 z końcem uzwojenia Z3. Zaciski kondensatora C3 stanowią pierwsze wyjście generatora sterującego GS. Z kolei do końca uzwojenia Z4 transformatora Tr1 dołączony jest jeden koniec rezystora R9 oraz katoda diody D2. Drugi koniec rezystora R9 oraz anoda diody D2 połączone są poprzez kondensator C4 z początkiem uzwojenia Z4, przy czym zaciski kondensatora C4 stanowią drugie wyjście generatora sterującego GS. Z kolei w odmianie wykonania przetwornicy przedstawionej na fig. 2 do początku uzwojenia Z3 transformatora Tr1 dołączona jest katoda diody Zenera DZ2, której anoda połączona jest z jednym końcem rezystora R8. Drugi koniec rezystora R8 oraz koniec uzwojenia Z3 stanowią pierwsze wyjście generatora sterującego GS. Do końca uzwojenia Z4 transformatora Tr1 dołączona jest katoda diody Zenera DZ3, której anoda połączona jest z jednym końcem rezystora R9, którego drugi koniec oraz koniec uzwojenia Z4 stanowią drugie wyjście generatora sterującego. Zarówno w wersji układu elektronicznego przetwornicy przedstawionej na fig. 1 jak i jej odmianie wykonania przedstawionej na fig. 2 rezystancja rezystora R6 określona jest zależnością: gdzie: Uz - napięcie zasilania generatora sterującego GS L - indukcyjność uzwojenia Z1 transformatora Tr1 B - indukcja nasycenia rdzenia transformatora Tr1 S - przekrój rdzenia transformatora Tr1 Z - liczba zwojów uzwojenia Z1 transformatora Tr1 wynosiła R = 1 kω. Zasada działania przetwornicy jest następująca: uzwojenie Z1 i Z2 transformatora Tr1 tworzą obwód dodatniego sprzężenia zwrotnego, warunkującego pracę generatora sterującego GS, przy czym częstotliwość jego pracy jest wyznaczona przez równoległy obwód rezonansowy złożony z kondensatora C2 i uzwojenia Z 1. Obwód polaryzacji bazy tranzystora T 1 złożony z elementów R 1. DZ1, R2 R5 i C 1 jest tak dobrany, że przy braku generacji zapewnia on polaryzację bazy napięciem dodatnim. Po uruchomieniu generatora, na skutek przepływu składowej stałej prądu bazy przez rezystory R2 - R5, polaryzacja bazy staje się "ujemna", co zapewnia pracę tranzystora T 1 w głębokiej klasie "C". Pozwala to na uzyskanie dużej sprawności energetycznej generatora, a tym samym możliwość zmniejszenia pobranej przez niego mocy zasilania. Dioda D 1 zapewnia stałość warunków pracy generatora przy zmianach napięcia zasilania. Rezystory R6 i R7 ustalają odpowiednią wartość wysterowania tranzystora T 1, przy czym zadaniem rezystora R6 jest ograniczenie impulsów prądu tranzystorat1 do takiej wartości,
161 916 5 aby rdzeń transformatora Tr1 nie mógł wejść w nasycenie. Zapewnia to sinusoidalną-prawie liniową - pracę generatora i zabezpiecza przed pracą relaksacyjną. Zwarcie klucza K w układzie generatora powoduje spadek do zera napięcia polaryzacji bazy tranzystora T 1 i tym samym przerwanie pracy generatora i całej przetwornicy. Pobór prądu sieciowego przez przetwornicę znacznie wówczas spada, a w tym zablokowanym stanie przetwornica może pozostać dowolnie długo. Uzupełniając układ przetwornicy o układ - nie uwidoczniony na rysunku wykrywający jej stany awaryjne jak np. przegrzanie jej elementów, zbytnie obniżenie napięcia sieciowego lub uszkodzenie świetlówki i sterując pracą klucza K można uzyskać zabezpieczenie przetwornicy przed uszkodzeniem w możliwych stanach awaryjnych. W wersji podstawowej układu przetwornicy elementy R8, C4 i R9, C4 dołączone do uzwojeń Z3 i Z4 powodują, że przebieg napięcia na wyjściach generatora jest opóźniony względem przebiegu indukowanego w uzwojeniach. Ze względu na obecność diod D1 i D2 opóźnienie to zależy od biegunowości napięć wyjściowych. Wówczas, gdy napięcia te są ujemne, opóźnienie to jest znacznie mniejsze ze względu na bocznikowanie rezystorów R8 i R9 przez przewodzące wówczas diody D 1 i D2. Wskutek tego tranzystory we wzmacniaczu mocy są tak sterowane, że wprowadzane są w stan nasycenia z opóźnieniem, zaś zatykane są praktycznie bez tego opóźnienia; nie występuje więc możliwość ich jednoczesnego przewodzenia, co podwyższa niezawodność przetwornicy. W odmianie wykonania układu przetwornicy diody Zenera DZ2 i DZ3 dołączone do uzwojeń Z3 i Z4 powodują, że dodatnie napięcie na obu wyjściach generatora pojawia się z opóźnieniem w stosunku do tego napięcia na uzwojeniach. Opóźnienie to jest równe czasowi potrzebnemu na to, aby przebieg napięcia indukowanego w uzwojeniach Z3 i Z4 narósł od zera do wartości równej napięciu Zenera diod DZ2 i DZ3. Przy ujemnej polaryzacji napięć wyjściowych diody Zenera przewodzą z niewielkim spadkiem napięcia (0,6 V), przez co opóźnienie w tym przypadku jest kilka - kilkanaście razy mniejsze. W powyższy sposób uzyskuje się rozdzielenie momentów zatkania jednego z tranzystorów wzmacniacza mocy od momentu nasycenia drugiego tranzystora, co gwarantuje niewystępowanie ich jednoczesnego przewodzenia. Fig.2
161 916 Fig. 1 Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł