Pobierz dokument

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO
(19) PL
(96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:
26.03.2004 04251828.2
(11) PL/EP
(13)
(51)
1463386
T3
Int.Cl.
H05B 41/282 (2006.01)
H05B 41/288 (2006.01)
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej
Polskiej
(54)
(97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono:
02.06.2010 Europejski Biuletyn Patentowy 2010/22
EP 1463386 B1
H02M 7/5387 (2007.01)
Tytuł wynalazku:
Układ falownika z dopasowaniem impedancji z wysokim współczynnikiem Q
(30)
Pierwszeństwo:
28.03.2003 US 20030402483
(43)
Zgłoszenie ogłoszono:
29.09.2004 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2004/40
(45)
O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono:
31.12.2010 Wiadomości Urzędu Patentowego 2010/12
(73)
Uprawniony z patentu:
GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, US
(72)
Twórca(y) wynalazku:
PL/EP 1463386 T3
Timothy Chen, Aurora, US
(74)
Pełnomocnik:
rzecz. pat. Leokadia Płotczyk
POLSERVICE KANCELARIA RZECZNIKÓW PATENTOWYCH SP. Z O.O.
ul. Bluszczańska 73
00-712 Warszawa
Uwaga:
W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący
udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za
sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).
53/55P26234PL00
2
Opis
[0001]
Niniejsze zgłoszenie dotyczy układów falownika wykorzystywanych w
zasilaniu lamp wyładowczych, zwłaszcza układu falownika z dopasowaniem
impedancji z trzeciego rzędu z wysokim współczynnikiem Q z elektronicznym
statecznikiem z automatyczną stabilizacją napięciową do wykorzystania z lampami
wyładowczymi o dużej mocy działającymi przy niskim napięciu wejściowym.
[0002] Na FIGURZE 1, przedstawiono jako znany, o szybkim starcie układ falownika
drugiego rzędu wykorzystywanego do zasilania lamp wyładowczych o dużej mocy i
małej impedancji. Taki układ będzie miał od 1 do 1.5 sekundy opóźnienia między
przyłożeniem sygnału rozruchowego a zapaleniem lampy. Układ 10 zawiera
pełnomostkową sekcję wejściową 12, która odbiera napięcie wejściowe ze źródła AC
14. Napięcie wyjściowe pełnomostkowej
sekcji
12
doprowadzone
jest
do
półmostkowej sieci 16 układu przełączającego, zawierającego pierwszy przełącznik
18 tranzystorowy, drugi przełącznik 20 tranzystorowy, i sterownik 21. Napięcie
wyjściowe z półmostkowego układu przełączającego 16 podaje się do rezonansowej
sieci LC 22, zawierającej cewkę rezonansową 24 i kondensator rezonansowy 26.
Sygnał wyjściowy z układu LC 22 podaje się do lampy 28, która jest dodatkowo
połączona z siecią 30 pojemnościowego dzielnika napięciowego, zawierającego
kondensator 32 i kondensator 34. Napięcie rozruchowe w przybliżeniu około 600
woltów może być wykorzystywane jako napięcie zapłonu. W tym typie układu,
ponieważ napięcie zapłonowe wynosi zwykle 600 woltów, układ podgrzewający
wstępnie (nie pokazany) może znajdować się w celu wstępnego ogrzania lampy
przed dostarczeniem napięcia zapłonu.
[0003] Wadą układu pokazanego na FIGURZE 1 jest to, że nie jest on przeznaczony
do wydajnego działania z lampami o wysokiej impedancji. Dzieje się tak, częściowo,
z powodu wykorzystania niższego napięcia wejściowego Na przykład, gdy napięcie
wejściowe wynosi standardowo 120 woltów, napięcie szyny zbiorczej układu może
wynosić około 150-160 woltów. Napięcie AC jest w przybliżeniu dzielone, z powodu
działania sieci przełączającej 18, powodującej to, że napięcie AC na wyjściu
półmostkowej sieci przełączającej 18 wynosi w przybliżeniu 75 woltów. Napięcie to
wystarcza do wydajnego działania lampy o niskiej impedancji. Jednak, jeżeli lampa
53/55P26234PL00
3
jest lampą o wysokiej impedancji, układ 10 będzie pobierał zwiększony prąd,
powodując niewydajną pracę i obciążenia na komponentach wewnątrz układu.
[0004] Inna wadą układu z FIGURY 1, jest to, że w celu otrzymania akceptowalnej
wartości znamionowej współczynnika Q, podczas zastosowania go do zasilania
lampy o wysokiej impedancji, trzeba dostarczyć znacznie większe napięcia do lampy.
W tej sytuacji, w celu otrzymania żądanej wartości znamionowej Q, potrzebny jest
większy kondensator rezonansowy 26 i większa cewka rezonansowa 24.
[0005] Dodatkowo, układ 10 z szybkim zapłonem z FIGURY 1, utrzyma układ
ogrzewania wstępnego aktywny nawet po zapaleniu się lampy, skutkujący stratami
od około 1 do 1.5 watów mocy.
[0006] Jeżeli układ 10 ma działać jako system oświetlenia o zimnym zapłonie, wtedy
napięcie rozruchowe lampy będzie wynosiło około 1300 woltów. To wyższe napięcie
będzie potrzebować większego prądu rezonansowego, w przybliżeniu 5 amperów. In
wyższy prąd, tym większe są obciążenia na cewce 24, wymagające większego
komponentu. Zwiększanie rozmiarów elementów magnetycznych (tj. cewki 24)
zwiększa koszty elementów magnetycznych i zwiększa rozmiar obudowy w której
umieszcza się elementy magnetyczne. Ten sam prąd przełączający również będzie
oddziaływał na półmostkową sieć przełączającą 16, która zawiera tranzystory 18 i 20.
W
celu
obsłużenia
tych
wyższych
prądów,
potrzebne
będą
struktury
półprzewodnikowe o większych rozmiarach, a zatem wykorzystywane będą większe
obudowy dla tranzystorów 18 i 20 (tranzystory mogą być tranzystorami typu FET,
CMOS, bipolarne albo innego odpowiedniego typu). Te większe, bardziej solidne
tranzystory i kondensatory powodują zwiększone koszty ekonomiczne, wymagają
fizycznie większych systemów oświetlenia lampami, oraz skutkują zmniejszeniem
wydajności układu.
[0007] Zatem, jeżeli układ falownika drugiego rzędu 10 z FIGURY 2 ma być użyty do
zasilania lampy o wysokiej impedancji, potrzebny będzie duży prąd rozruchowy.
Znane jest to, że gdy prąd rozruchowy jest większy, do obsłużenia większego prądu
potrzebne będą większe elementy magnetyczne (tj. cewka 24) i tranzystory,
skutkując mniejszą wydajnością systemu oświetlenia lampami.
[0008] W opisie US-A-4 553 070 przedstawiono elektroniczne obciążenie dla lampy
wyładowczej, które zawiera oscylator wysokiej częstotliwości i układ rezonansowy
połączony szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora. Lampa, z kolei, jest
połączona szeregowo z układem rezonansowym. Kondensatory rezonansowe są
53/55P26234PL00
4
włączone szeregowo między terminale zasilania stałoprądowego D.C., a diody są
włączone równolegle do nich.
[0009]
Zgodnie z jednym aspektem niniejszego zgłoszenia, układ falownika
zawierający sekcję wejściową skonfigurowaną do odbierania napięcia ze źródła
napięcia, sieć przełączającą połączoną do odbierania napięcia wejściowego z sekcji
wejściowej, sterownik w operacyjnym połączeniu z siecią przełączającą i
zaprojektowany do działania sterowania sieci przełączającej, obwód rezonansowy
zawierający cewkę rezonansową i kondensator rezonansowy, przy czym pierwszy
styk wspomnianej cewki rezonansowej jest połączony ze wspomnianą siecią
przełączającą a drugi styk wspomnianej cewki rezonansowej jest połączony z
pierwszym stykiem wspomnianego kondensatora rezonansowego, a drugi styk
wspomnianego kondensatora rezonansowego jest połączony z siecią przełączającą.
Układ falownika dodatkowo zawiera drugi kondensator rezonansowy, przy czym
pierwszy styk wspomnianego drugiego kondensatora rezonansowego jest połączony
ze wspomnianym drugim stykiem wspomnianej cewki rezonansowej i wspomnianym
pierwszym stykiem wspomnianego kondensatora rezonansowego, a drugi styk
wspomnianego drugiego kondensatora rezonansowego jest połączony z pierwszym
stykiem obciążenia, a drugi styk wspomnianego obciążenia jest połączony z
pierwszym stykiem kondensatora stałego, pierwszym stykiem pierwszej diody, i
pierwszym stykiem drugiej diody, przy czym wspomniany kondensator stały ma
wartość kondensatora stałego, drugi styk wspomnianego kondensatora stałego
połączony jest z drugim stykiem wspomnianej pierwszej diody, drugim stykiem
wspomnianego kondensatora rezonansowego, i siecią przełączającą, drugi styk
wspomnianej drugiej diody jest połączony z siecią przełączającą, w której
kondensator stały, pierwsza dioda i druga dioda tworzą sieć o zmiennej pojemności,
przy czym wspomniana sieć o zmiennej pojemności jest przystosowana do
dostarczania zmiennej pojemności podczas działania układu przez poziomowanie
napięcia na kondensatorze stałym na z góry określonych poziomach, przy czym
kondensator stały jest bocznikowany przez działanie poziomowania dla co najmniej
części z części cyklu pracy układu, i w którym skuteczna zmienna pojemność układu
jest otrzymywana za pomocą działania poziomowania.
[0010] Dostarczony jest sposób działania układu falownika, zawierający zasilanie
napięciem ze źródła napięcia, do sekcji wejściowej; przechodzenia napięcia
wejściowego z sekcji wejściowej do sieci przełączającej; działanie sterowania sieci
53/55P26234PL00
5
przełączającej przez sterownik, w którym zalecane napięcie jest przekazywane do
obwodu rezonansowego. Obwód rezonansowy zawiera cewkę rezonansową i
kondensator
rezonansowy,
przy
czym
pierwszy
styk
wspomnianej
cewki
rezonansowej jest połączony ze wspomnianą siecią przełączającą a drugi styk
wspomnianej
wspomnianego
cewki
rezonansowej
kondensatora
jest
połączony
rezonansowego,
a
z
drugi
pierwszym
styki
stykiem
wspomnianego
kondensatora rezonansowego jest połączony z siecią przełączającą, drugi
kondensator rezonansowy, pierwszy styk wspomnianego drugiego kondensatora
rezonansowego jest połączony z wspomnianym drugim stykiem wspomnianej cewki
rezonansowej i wspomnianym pierwszym stykiem wspomnianego kondensatora
rezonansowego, a drugi styk wspomnianego drugiego kondensatora rezonansowego
jest połączony z pierwszym stykiem obciążenia, a drugi styk wspomnianego
obciążenia jest połączony z pierwszym stykiem kondensatora stałego, pierwszym
stykiem pierwszej diody, i pierwszym stykiem drugiej diody, przy czym wspomniany
kondensator stały ma pierwszą wartość kondensator, drugi styk wspomnianego
pierwszego kondensatora jest połączony z drugim stykiem wspomnianej pierwszej
diody, drugim stykiem wspomnianego kondensatora rezonansowego, i z siecią
przełączającą, przy czym drugi styk wspomnianej drugiej diody jest połączony z
siecią przełączającą, przy czym kondensator stały, pierwsza dioda i druga dioda
tworzy sieć o zmiennej pojemności, przy czym wspomniana sieć o zmiennej
pojemności jest przystosowana do dostarczania zmiennej pojemności podczas
działania układu przez poziomuje napięcia na kondensatorze stałym na z góry
określonych poziomach, przy czym kondensator stały jest bocznikowany przez
poziomowanie dla co najmniej części z części cyklu działania układu, i w którym
skuteczna zmienna pojemność układu jest otrzymywana za pomocą działania
poziomowanie.
[0011] Poniżej zostaną opisane, przykładowo, warianty wykonania wynalazku w
odniesieniu do załączonych rysunków, na których:
FIGURA 1 przedstawia topologię układu falownika drugiego rzędu;
FIGURA 2 przedstawia blokowy schemat połączeń zgodnie z pomysłami niniejszego
zgłoszenia;
FIGURA 3 przedstawia pierwszy przykład topologii układu dla układu falownika
trzeciego rzędu z automatyczną regulacja liniową zgodnie z niniejszym zgłoszeniem;
53/55P26234PL00
6
FIGURA 4 przedstawia napięcie na kondensatorze w układzie niniejszego zgłoszenia
w celu zilustrowania czułości prądowej lampy w niniejszym układzie;
FIGURA 5 przedstawia drugi przykład wykonania układu falownika w trybie otwartej
lub zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego trzeciego rzędu ze zintegrowanym
układem sterowania dla działania obwodu;
FIGURA 6 przedstawia trzeci przykład wykonania układu falownika trzeciego rzędu z
komplementarną parą tranzystorów FET;
FIGURA 7 przedstawia czwarty przykład wykonania układu falownika trzeciego rzędu
wykorzystujący tranzystory bipolarne;
FIGURA
8
przedstawia
pełnomostkowy
układ
sieci
przełączającej
zgodnie
koncepcjami niniejszego zgłoszenia; a
FIGURA 9 przedstawia sieć z pojedynczym przełącznikiem realizującą koncepcje
niniejszego zgłoszenia.
[0012] Układ falownika drugiego rzędu 10 z FIGURY 1 może być używany jako
układ falownika trzeciego rzędu jeżeli wartości kondensatorów 32 i 34 są wykonane
jako dużo mniejsze, albo usunięte z układu. W szczególności, gdy działanie jako
układ drugiego rzędu, sieć 30 kondensatora, zawierająca kondensatory 32 i 34
funkcjonuje jako dzielnik napięcia do lampy, i w celu magazynowania energii układu.
W jednym przykładzie wykonania, który wykorzystuje napięcie wejściowe 120
woltów, można to zrobić przez zastosowanie wartości pojemności powyżej około 100
nanofaradów. Jednak, jeżeli kondensatory 32 i 34 są wewnątrz zakresu od około 100
nanofaradów do około 5 nanofaradów, sieć 30 kondensatora działa jedynie jako
dzielnik napięcia/układ magazynujący energię, ale również staje się częścią obwodu
rezonansowego (zawierającego cewkę rezonansową 24 i kondensator rezonansowy
26). Zmieni to układ z FIGURY 1 z układu falownika drugiego rzędu do układu
falownika trzeciego rzędu.
[0013] Jednak, układ skonfigurowany w ten sposób będzie miał słabą regulację
podczas działania. Na przykład, ze zmianą napięcia wejściowego rzędu 10 procent,
zmiana mocy może wynosić od 20 do 25 procent. Zwiększa się ta niestabilność,
ponieważ zwiększają się zmiany na wejściu układu, powodując naprężenia na
komponentach układu, i stratę energii. Dodatkowo, działanie układu 10 z FIGURY 1
jako falownika trzeciego rzędu będzie skutkować układem o większej czułości nie
tylko na fluktuacje wejściowe napięcia ale również na zmiany komponentu. W
szczególności, komponent, który znajduje się poza specyfikacją, albo nawet
53/55P26234PL00
7
wewnątrz zakresu tolerancji, może w sposób niepożądany zmieniać działanie układu.
W celu sterowania niepożądanymi zmianami, dla otrzymania pewnej stabilności
układu potrzebne będą kompleksowe sterowniki IC implementujące sterowania albo
inne komponenty. Wady te ograniczają praktyczne zastosowania działania falownika
trzeciego rzędu dla układu przedstawionego na FIGURZE 1 w tanich obszarach.
Dzieje się tak z powodu czułości układu na zmiany linii energetycznej, fluktuacji
komponentów, oraz zmian impedancji.
[0014] Jednak, na podstawie tej dyskusji zrozumiałe jest, że układ trzeciego rzędu
posiada pożądane aspekty, zawierające korzyści zastosowania go do wydajnego
zasilania lampy o wysokiej impedancji, z małym prądem początkowym. Dzieje się
tak, częściowo, z powodu wykorzystania pojemności rezonansowej, o wiele mniejszej
niż ta wykorzystana w układzie drugiego rzędu. Mniejsze pojemności dają w wyniku
mniejsze wartości prądu, co umożliwia wykorzystanie mniejszej cewki 24 i
tranzystorów 18 i 20.
[0015]
Na FIGURZE 2, przedstawiono schemat blokowy układu 40 który
przedstawia układ falownika trzeciego rzędu zgodnie z koncepcjami niniejszego
zgłoszenia. Sygnały, takie jak z pełnomostkowego mostka diodowego (nie
pokazanego) albo innej odpowiedniej sieci, dostarcza się do bloku 42 układu
przełączającego. Ta sieć przełączająca może być pojedynczą, półmostkową,
pełnomostkowy albo inną odpowiednią siecią przeznaczoną do realizowania
koncepcji
niniejszego
zgłoszenia.
Blok
42
układu
dostarcza
napięcie
do
cewki/kondensatora/bloku 44 falownika o wysokiej Q. Kondensatory bloku 44, mają
znacznie mniejsze wartości niż kondensatory w systemie drugiego rzędu.
[0016] Sieć pojemnościowa bloku 44 jest przeznaczona do dostarczania zmiennej
pojemności określonej w bloku 46 sterowania kondensatorem zmiennym. Dzięki tej
konfiguracji, przypisane wartości napięcia, mocy i prądu dostarcza się do obciążenia
48 o wysokiej impedancji takiego jak lampa o wysokiej impedancji. Sieć bloku 44,
również zapewnia sygnały sprzężenia zwrotnego do bloku 50 sterowania bramką
sprzężenia zwrotnego, stosowaną do operacji sterowania układu w granicach
przewidzianych
parametrów.
Blok
46
sterowania
zmiennym
kondensatorem
kompensuje, dla wejścia napięcia liniowego albo innych zmian komponentu układu,
poprawiając regulację mocą dostarczoną do obciążenie 48. Koncepcja działania
diagramu 40 bloku układu polega na powodowaniu takiej pracy komponentu
53/55P26234PL00
8
kondensatora mającego ustaloną wartość, aby działał on jako skuteczna zmienna
pojemność układu podczas cyklu pracy układu.
[0017] Na FIGURZE 3, przedstawiono układ falownika trzeciego rzędu 60 z
automatyczną regulacją liniową zgodnie z koncepcjami niniejszego zgłoszenia.
Rozwiązanie to utrzymuje wiele charakterystyk opisanego wcześniej układu 10.
Jednak, struktura niniejszego układu umożliwia sprawne zasilanie lampy o wysokiej
impedancji o małym prądzie włączenia oraz zapewnia niski prąd roboczy, w układzie
mającym pracę stateczną.
[0018] Układ 60 zawiera pełnomostkowy prostownik, zawierający diody 62a, 62b,
62c i 62d, dołączony do szyny 63a o potencjale dodatnim, i wspólnej szyny zbiorczej
63b, i zasilany przez źródło wejściowe 64. Układ przełączający 66 pokazany na
figurze jako sieć półmostkowa z pierwszym tranzystorem 68 i drugim tranzystorem
70, sterowanymi przez sterownik 72. Zrozumiałe jest, że podczas gdy sieć
przełączająca w poniższych przykładach wykonania jest pokazana jako rozwiązanie
półmostkowa, te przykłady wykonania stosuje się w równym stopniu i mogą zawierać
inne układy wejściowe, w tym pojedyncze i pełnomostkowe sieci przełączające, z
różnymi mechanizmami sterowania. Zatem, blok 42 układu przełączającego z
FIGURY 2 ma na celu pokazanie różnych znanych elementów przełączających i
mechanizmów sterujących.
[0019] Jak opisano wcześniej, napięcie wyjściowe wygenerowane przez układ
przełączający 66 jest dostarczane do obwodu rezonansowego zawierającego cewkę
rezonansową 74, i kondensator rezonansowy 76. Drugi kondensator rezonansowy 78
jest połączony szeregowo z obciążeniem 80, takim jak lampa o wysokiej impedancji
połączona z układem za pomocą połączeń obciążenia. Niniejszy układ dodatkowo
zawiera kondensator 82 dopasowujący impedancję również szeregowo z lampą 80.
Kondensator dopasowujący 82, które może również być uważany jako część obwodu
rezonansowego działającego w celu zwiększenia współczynnika Q układu bez
potrzeby większej wartości kondensatora rezonansowego 76, co mogłoby być
potrzebne na przykład w układzie falownika drugiego rzędu. Zatem, prąd zapłonowy,
jest zmniejszony pozwalając na użycie cewek i kondensatorów o mniejszych
rozmiarach, niż byłoby to możliwe.
[0020] Jednak, należy zauważyć, że podczas pracy, ten układ 60 o wysokim Q byłby
czuły na liniowe napięcie i zmiany komponentu systemu. W celu rozwiązania tego
problemu, układ 60 wykorzystuje kondensator 82 dopasowujący impedancję w celu
53/55P26234PL00
9
dostarczenia skutecznej zmiennej pojemności, nawet gdy ma on wartość
kondensatora stałego. Osiąga się to przez zastosowanie elementów przełączających
84 i 86 w połączeniu z kondensatorem 82 dopasowującym impedancję. Element
przełączający 86 umieszczony jest równolegle z kondensatorem 82 dopasowującym
impedancję a przełącznik 84 jest połączony z jednym końcem z przełącznikiem 86 a
drugim końcem z szyną zbiorczą o potencjale dodatnim układu 60. W jednym
przykładzie wykonania, przełącznikami 84 i 86 mogą być bardzo szybkie diody.
[0021] Na FIGURZE 4, przedstawiono schemat ilustrujący analizy czułości prądowej
lampy zgodnie z układem pokazanym na FIGURZE 3, i efekt układu kondensatora
dopasowującego 82 i diód 84, 86. Kształt fali napięcia 90 przedstawia napięcie na
kondensatorze 82.
[0022] Można zaobserwować, że kształt fali 90 jest poziomowany po stronie
dodatniej 92 dla około 150 woltów, i po jego stronie ujemnej 94 dla około 0 woltów. W
szczególności, kształt fali 90 jest poziomowany po jego ujemnej stronie do szyny
zbiorczej jak i do napięcia szyny potencjału dodatniego po jego stronie dodatniej.
Podczas pracy w zakresie liniowym 95, kondensator 82 pracuje jako komponent z
ustaloną wartością pojemności. Powyżej zakresu od około 150 woltów albo poniżej
zakresu od około 0 woltów, kondensator 82 jest zasadniczo eliminowany z układu. Za
pomocą tego rozwiązania, przez cały cykl działania, otrzymuje się skuteczną wartość
zmiennej pojemności.
[0023] Gdy większy albo mniejszy prąd przechodzi przez kondensator 82, wskaże
to, że wyższy albo niższy prąd przechodzi również przez lampę. Prąd lampy i prąd
kondensatora są takie same (zakładając, że diody 84 i 86 nie poziomują układ)
ponieważ kondensator 82 jest połączony szeregowo z lampą 80. Zatem, prąd w
lampie 80 zmienia się tak jak liniowe zmiany napięcia, albo tak jak występują zmiany
komponentu.
[0024] Te zmiany również wpływają na zmiany napięcia na kondensatorze 82. Gdy
napięcie na kondensatorze 82 diodach 84, 86 osiąga z góry określoną wartość (np.
150 albo 0 V), diody 84, 86 poziomują napięcie na kondensatorze 82. Jeżeli diody 84
i 86 poziomują kondensator 82, jest on skutecznie bocznikowany podczas tej części
czasu przewodzenia. Za pomocą tego działania, układ zasadniczo automatycznie
zmienia wartość równoważnego kondensatora układu. Zatem, kondensator 82 i diody
84 i 86 działają jako układ sterowania zmienną pojemnością, taki jak blok 46 z
FIGURY 2. Ta nastawna pojemnościowa właściwość zmniejsza czułość układu na
53/55P26234PL00
10
zmiany, takie jak wspomniane zmiany napięcia wejściowego albo zmiany
spowodowane komponentami.
[0025] Opisany proces jest skuteczny ponieważ każda zmiana liniowa, zmiana
cewki, zmiana kondensatora, zmiana częstotliwości, przekształca albo ma wpływ na
prąd lampy, powodując jego zmianę. Przez sterowanie prądem lampy, możliwe staje
się wytworzenie układu mniej czułego na takie zmiany. Rozwiązanie to i proces
pozwala na regulacje podobna do tej jaka może być otrzymywana za pomocą układu
falownika drugiego rzędu, jednocześnie wzmacniając korzyści układu trzeciego
rzędu, takie jak możliwość stosowania lamp o wysokiej impedancji, stosowanie
niskiego prądu zapłonowego, i wysokiego napięcia początkowego, mniejszych
naprężeń na komponentach, a także możliwość skonstruowania urządzenia o małej
fizycznej
powierzchni
z
powodu
wykorzystania
mniejszych
komponentów.
Rozwiązanie to również wzmacnia korzyści falownika trzeciego rzędu dzięki działaniu
o wyższej wydajności niż układy falownika drugiego rzędu podczas zasilania lamp o
wysokiej impedancji.
[0026] Jak wspomniano wcześniej, prąd przepływający przez lampę zależy od wielu
czynników. Poniższy wzór ilustruje tę koncepcję:
[0027] W szczególności, wzór uwypukla, że całkowita zmiana prądu lampy (ΔILamp)
zawiera trzy komponentu. Pierwszy komponent jest zmianą prądu lampy (dILamp) w
funkcji zmiany cewki rezonansowej (dL) całkowitej zmiany indukcyjności (ΔL). Drugi
komponent składa się ze zmiany prądu lampy (dILamp) w funkcji zmiany kondensatora
rezonansowego (dCLamp) dla całkowitej zmiany pojemności rezonansowej (ΔCLamp).
Trzecim komponentem jest zmiana prądu (dILamp) lampy w zależności od zmiany
impedancji (dRLamp) lampy dla całkowitej zmiany (ΔRLamp) lampy. Zmiana impedancji
w lampie może być spowodowana zmianami produkcyjnymi impedancji własnej
poszczególnych lamp gdy lampy mogą różnić się w zależności od partii, albo nawet
między lampami.
[0028] Na FIGURZE 5, przedstawiono drugi przykład wykonania układu falownika
trzeciego rzędu 100. W tym rozwiązaniu, sieć przełączająca 102 wykorzystuje dwa
tranzystory FET 104, 106 sterowane przez scalony układ sterowania 108. Scalony
53/55P26234PL00
11
układ sterowania 108 pozwala na to, że struktura działa zarówno jako system
obwodu otwartego jak i obwodu zamkniętego. Pozostałe komponenty systemu są
podobne do tych z układu 60 na FIGURZE 3.
[0029] Na FIGURZE 6, trzeci przykład wykonania układu falownika trzeciego rzędu
110 zawiera sieć przełączającą 112, która jest rozwiązaniem komplementarnego
układu przełączającego realizującego parę komplementarną przełączników (tj.
tranzystory FET) 114, 116, sterowane przez wejście cewek 118, 120 i kondensatora
122 (alternatywne rozwiązania komplementarnej pary przełączającej pokazano w
dokumentach patentowych U.S.A. 5,408,403; 5,796,214; 5,874,810; i 5,877,595
Nerone et al. Taka topologia ilustruje samooscylującą, tanią strukturę systemu.
Pozostałe części układu są podobne do układu z FIGURY 3. Należy zauważyć, że
cewka indukcyjna 118 jest również częścią struktury obwodu rezonansowego.
[0030] Na FIGURZE 7 przedstawiono czwarty przykład wykonania układu falownika
trzeciego rzędu 130, który wykorzystuje tranzystory bipolarne jako elementy
przełączające. W szczególności, układ sterujący 132 zawiera tranzystory bipolarne
134, 136 i diody 138, 140 odpowiednio połączone ze sobą poprzecznie. Tranzystory
134 i 136 są sterowane przez cewki indukcyjne 142, 144, które mają elektryczne
połączenie z cewkami indukcyjnymi 146.
[0031] Na FIGURZE 8, przedstawiono dodatkowo przykład wykonania układu 148
zgodnie z niniejszym zgłoszeniem, w którym sieć przełączająca 150 jest w
szczególności zdefiniowana tak, że ma pełnomostkową sieć przełączającą
zawierającą tranzystory 152, 154, 156 i 158. Sterownik jest pokazany jako rodzajowy
sterownik 160, który może być dowolnym z wcześniej opisanym albo innym
istniejącym sterownikiem wykorzystywanym do pracy pełnomostkowej sieci. To
rozwiązanie pozwoliłoby na prace z dużo większą mocą na przykład 1 kw.
[0032] FIGURA 9 przedstawia układ 168 podobny do tych opisanych wcześniej z
siecią
przełączającą
170
zaprojektowanej
pojedynczego
przełącznika
172
sterowanego przez sterownik 174.
[0033] Na FIGURACH 3 i 5-9 przedstawiono przykłady wykonania układu falownika
trzeciego rzędu, a na FIGURZE 2 blokowy schemat połączeń, opisują one układy w
których wartości skuteczne zmiennej pojemności otrzymuje się z wartości
kondensatora stałego i działania jako sterowanie sprzężeniem zwrotnym (tj. blok 50 z
FIGURA 2) w celu stabilizowania pracy układu. W szczególności, nastawienia
kondensatora są funkcjonalnie przeciwne do zmian na wejściu do układu i/lub
53/55P26234PL00
12
komponentów układu. Na przykład, gdy dodatnie zmiany napięcia pojawiają się (tj.
napięcie wzrasta) powyżej konkretnej wartości, zmienna pojemność działa w celu
zniwelowania tej zmiany i/lub innych zmian komponentów. Działanie wydajnej
zmiennej pojemności utworzone przez kondensator 82, diody 84 i 86, połączenie
funkcji w celu przeciwdziałania fluktuacjom układu (tj. zwiększaniu/zmniejszaniu). W
ten sposób, system posiada sterowanie ujemnym sprzężeniem zwrotnym, które
nieodłącznie posiada cechę stabilizowania.
[0034]
Działanie układów falownika trzeciego rzędu z niniejszego zgłoszenia
zwiększa współczynnik Q otrzymywany dzięki temu rozwiązaniu do zakresu 2-5,
podczas gdy działanie współczynnik Q w systemie drugiego rzędu zasadniczo byłoby
w zakresie od 1 do 1.5. Zatem, rozmiar fizyczny systemu oświetlenia (takiego jak
kompaktowa lampa fluorescencyjna) może się zwiększyć o 30 procent w porównaniu
z systemami kompaktowej lampy fluorescencyjnej realizującej istniejące rozwiązania
układu
falownika.
W
jednym
przykładzie,
podczas
gdy
wartości
cewek
wykorzystywanych w układzie falownika drugiego rzędu i trzeciego rzędu zasilającym
lampy o podobnych rozmiarach mogą być zasadniczo takie same, systemy drugiego
rzędu musiałyby przenosić potencjalnie dwa razy więcej prądu niż opisane tutaj
układy, przez co konieczne byłoby zwiększenie podstawowych kosztów. Dodatkowo,
średnica bańki szklanej dla takiego kompaktowego systemu lamp fluorescencyjnych,
i odległość między pętlami bańki szklanej może również być znacznie niższa niż
odległość dla istniejących lamp, z powodu opisanych tutaj cech.
[0035] Niniejszy system może być zrealizowany jako pewna liczba alternatywnych
rozwiązań, i z różnymi wartościami, w jednym przykładzie wykonania realizującym
półmostkowy system prostownika taki jaki może być znany ze stanu techniki,
wykorzystywany dla napięcia wejściowego 125 Voltów, można określić konkretne
wartości dla konkretnej realizacji pokazanej na FIGURZE 3,:
Diody 62a, 62b, 62c, 62d
1N5395
Przełącznik 68
FQU 9N25
Przełącznik 70
FQU 9N25
Cewka 74
470uh
Kondensator 76
6.8nf
Kondensator 78
22nf
53/55P26234PL00
13
Lampa 80
42W
Kondensator 82
10nf
Dioda 84
1N4937
Dioda 86
1N4937
[0036] Inne ponumerowane komponenty przedstawione w tym zgłoszeniu ale nie
przedstawione na tym wykazie mogą mieć wartości podobne do tych opisanych.
Zrozumiałe będzie, ze przedstawione wartości podane są jedynie przykładowo.
53/55P26234PL00
14
Zastrzeżenia patentowe
1. Układ falownika (60) zawierający:
sekcję wejściową (62a-62d) skonfigurowaną do odbierania napięcia ze źródła
napięcia (64);
sieć przełączającą (68, 70) połączoną w celu odbierania napięcia wejściowego z
sekcji wejściowej;
sterownik (72) w funkcjonalnym połączeniu z siecią przełączającą (68, 70) i
przeznaczony do operacji sterowania sieci przełączającej;
obwód
rezonansowy
zawierający
cewkę
rezonansową
(74)
i
kondensator
rezonansowy (76), przy czym pierwszy styk wspomnianej cewki rezonansowej (74)
jest połączony z wspomnianą siecią przełączająca (68, 70), a drugi styk wspomnianej
cewki rezonansowej (74) jest połączony z pierwszym stykiem wspomnianego
kondensatora rezonansowego (76), i drugi styk wspomnianego kondensatora
rezonansowego (76) jest połączony z siecią przełączająca (68, 70) za pomocą
wspólnej magistrali (63b) sekcji wejściowej; i znamienny tym, że układ falownika
(60) dodatkowo zawiera:
drugi kondensator rezonansowy (78), przy czym pierwszy styk wspomnianego
drugiego kondensatora rezonansowego (78) jest połączony z wspomnianym drugim
stykiem wspomnianej cewki rezonansowej (74) i wspomnianego pierwszego styku
wspomnianego kondensatora rezonansowego (76), a drugi styk wspomnianego
drugiego kondensatora rezonansowego (78) jest połączony z pierwszym stykiem
obciążenia (80);
drugi styk wspomnianego obciążenia (80) jest połączony z pierwszym stykiem
pierwszego kondensatora (82), pierwszym stykiem pierwszej diody (86), i pierwszym
stykiem drugiej diody (84);
wspomniany kondensator stały (82) ma stałą wartość kondensatora, drugi styk
wspomnianego kondensatora stałego (82) jest połączony z drugim stykiem
wspomnianej pierwszej diody (86), z drugim stykiem wspomnianego kondensatora
rezonansowego (76), i z siecią przełączającą (68, 70) za pomocą wspólnej szyny
zbiorczej (63b) sekcji wejściowej;
drugi styk wspomnianej drugiej diody (84) jest połączony z siecią przełączającą (68,
70) za pomocą szyny (63a) o potencjale dodatnim sekcji wejściowej; przy czym
53/55P26234PL00
15
kondensator stały (82), pierwsza dioda (86) i druga dioda (84) tworzą sieć o zmiennej
pojemności, wspomniana sieć o zmiennej pojemności jest przystosowana do
dostarczania zmiennej pojemności podczas pracy układu za pomocą poziomowania
napięcia na kondensatorze stałym (82) na z góry określonych poziomach, przy czym
kondensator stały (82) jest bocznikowany przez działanie poziomowania dla co
najmniej części z części cyklu działania układu, i w którym skuteczna zmienna
pojemność układu otrzymywana jest za pomocą operacji poziomowania.
2. Układ falownika według zastrzeżenia 1, w którym sieć przełączająca jest
pojedynczym przełącznikiem tranzystorowym.
3. Układ falownika według zastrzeżenia 1, w którym sieć przełączająca jest
półmostkową albo pełnomostkową siecią tranzystorową.
4. Układ falownika według zastrzeżenia 1, w którym sterownik jest komplementarnie
sparowanym sterownikiem do sterowania komplementarną parą przełączników
tranzystorowych.
GENERAL ELECTRIC COMPANY
Pełnomocnik:
53/55P26234PL00
16
53/55P26234PL00
17
53/55P26234PL00
18
53/55P26234PL00
19
53/55P26234PL00
20