Патент на изобретение №2225026

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ РАДИОПОМЕХ В ЭЛЕКТРОННОМ РЕГУЛЯТОРЕ МОЩНОСТИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к устройству подавления радиопомех в электронном регуляторе мощности (РМ). Технический результат заключается в повышении надежности с низким уровнем радиопомех. РМ содержит контур (К) (1) коммутации и управляющий К (2). К (1) коммутации содержит включенные параллельно транзисторный коммутирующий К (ТрКК) (5) и тиристорный коммутирующий К (ТирКК) (6) и соединен последовательно с нагрузкой (Н) (3). Управляющий К (2) регулирует переменный ток, подаваемый в Н (3), переключением в проводящее состояние сначала, в пределах полупериода напряжения питания, ТрКК (5) с немедленным переключением вслед за этим в проводящее состояние ТирКК (6) с предпочтительным переключением обоих ТрКК (5) и ТирКК (6) в запертое состояние в следующей точке перехода через ноль в данном полупериоде. Введен индуктор в виде спирали (9) с малой индуктивностью, который включен последовательно с ТирКК (6) и вместе с ним параллельно ТрКК (5). 6 ил.

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству для подавления, т.е. для существенного ослабления уровня радиопомех в электронном регуляторе мощности, охарактеризованном в ограничительной части первого пункта формулы изобретения.

Уровень техники
Из финской заявки на патент FI-964021 известен улучшенный электронный регулятор мощности, предназначенный для регулирования мощности переменного тока, протекающего через нагрузку. Данный регулятор мощности содержит контур коммутации и управляющий контур, причем указанный контур коммутации включен последовательно с нагрузкой. Контур коммутации содержит два параллельно включенных полупроводниковых коммутирующих контура, один из которых является транзисторным коммутирующим контуром, а второй – тиристорным коммутирующим контуром. Управляющий контур содержит контур синхронизации и контур регулировки. С помощью контура синхронизации осуществляется слежение за напряжением питания, приложенным к нагрузке и к коммутирующему контуру, с получением информации о нулевых точках напряжения питания. Посредством регулирующего контура первый и второй полупроводниковые коммутирующие контуры переключаются (коммутируются) в проводящее состояние на основе информации, полученной от контура синхронизации. При этом сначала в проводящее состояние переключается транзисторный коммутирующий контур, а затем – тиристорный коммутирующий контур. Эти переключения повторяются многократно в течение полупериода в выбранный момент времени относительно нулевых точек напряжения питания. Переключение обоих полупроводниковых коммутирующих контуров в запертое состояние (состояние отсечки) происходит, по существу, в нулевых точках тока нагрузки.

С помощью описанного электронного регулятора мощности сделана попытка подавить радиопомехи, создаваемые тиристорными контурами. Она реализуется с помощью транзисторного коммутирующего контура, включенного параллельно тиристорному коммутирующему контуру. Радиопомеха подавляется за счет того, что сначала, до переключения тиристорного коммутирующего контура в проводящее состояние, коммутируется транзисторный коммутирующий контур. Транзисторный коммутирующий контур, который предпочтительно выполнен с использованием, по меньшей мере, одной пары полевых транзисторов или соответствующей пары коммутирующих транзисторов, может коммутироваться контролируемым образом. При этом, за счет ограничения скорости переключения, можно регулировать скорость нарастания тока, за счет чего предотвращается создание радиопомехи. После того, как обеспечено контролируемое протекание тока нагрузки через транзисторный коммутирующий контур регулятора мощности, в проводящее состояние коммутируется тиристорный коммутирующий контур, включенный в качестве второго коммутирующего контура, параллельного транзисторному коммутирующему контуру. Теперь основная часть тока нагрузки начинает протекать через тиристорный коммутирующий контур при условии, что напряжение, падающее на транзисторах транзисторного коммутирующего контура, превышает пороговое напряжение тиристоров или симистора в тиристорном коммутирующем контуре. Падение напряжения на тиристорном коммутирующем контуре ограничивается потерями, связанными с проводимостью. Выше определенного порогового значения тока указанные потери практически линейно зависят от изменений тока.

Недостаток описанного электронного регулятора мощности заключается в недостаточном ослаблении радиопомехи. Недостаточное ослабление обусловлено тем обстоятельством, что напряжение на паре проводящих полевых транзисторов или на соответствующем транзисторном коммутирующем контуре превышает напряжение на проводящем тиристорном коммутирующем контуре. Это приводит в момент отключения тиристора к резкому падению напряжения и к соответствующему возрастанию тока, вызывающего радиопомеху.

Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании нового и улучшенного устройства, обеспечивающего подавление радиопомех в электронном регуляторе мощности, т.е. позволяющего получить надежный и простой регулятор мощности с низким уровнем радиопомех.

Устройство для подавления помех в электронном регуляторе мощности в соответствии с настоящим изобретением охарактеризовано признаками, включенными в первый пункт формулы изобретения.

Как указано выше, изобретение относится к устройству для подавления радиопомех в электронном регуляторе мощности. Регулятор мощности содержит контур коммутации и управляющий контур, содержащий два параллельно включенных полупроводниковых коммутирующих контура, один из которых является транзисторным коммутирующим контуром, а второй – тиристорным коммутирующим контуром. Контур коммутации включен последовательно с нагрузкой. Регулятор мощности регулирует мощность переменного тока, приложенную к нагрузке. Для этого посредством управляющего контура в заданный момент времени в течение полупериода напряжения питания сначала в проводящее состояние переключается транзисторный коммутирующий контур, а непосредственно за ним аналогичным образом в проводящее состояние переключается тиристорный коммутирующий контур. При этом предпочтительно, чтобы оба коммутирующих контура переводились в запертое состояние в ближайший момент перехода сетевого напряжения через ноль (в ближайшей нулевой точке) полупериода. В соответствии с изобретением устройство содержит индуктор, например, в виде спирали с малой индуктивностью, который включен последовательно с тиристорным коммутирующим контуром так, что тиристорный коммутирующий контур и индуктор включены параллельно транзисторному коммутирующему контуру.

Достоинство изобретения заключается в том, что с использованием указанного устройства эффективно ослабляются все радиопомехи, которые возникают, когда, вслед за переходом транзисторного коммутирующего контура в проводящее состояние, в проводящее состояние переходит тиристорный коммутирующий контур.

Еще одно достоинство настоящего изобретения состоит в том, что примененный в нем индуктор, в частности, в виде спирали имеет малую индуктивность и малые размеры. Тем самым обеспечивается экономичное и эффективное решение проблемы радиопомех. Следующее достоинство заключается в том, что подобная малая индуктивность не создает шумов в окружающем пространстве.

Перечень фигур
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 схематично изображен электронный регулятор мощности, снабженный устройством по изобретению.

Фиг. 2 в схематичной форме иллюстрирует предпочтительный вариант контура коммутации источника питания.

На фиг. 3 представлены кривые тока и напряжения для контура коммутации при осуществлении переключений.

На фиг.4 в увеличенном масштабе по временной оси представлена часть кривых тока и напряжения по фиг.3, соответствующая переводу контура коммутации в проводящее состояние.

Фиг.5 иллюстрирует изменение напряжения на нагрузке при переводе контура коммутации в проводящее состояние, т.е. на участке кривой U_L, находящейся в пределах окружности А на фиг.4.

Фиг.6 иллюстрирует результаты измерения радиопомех, создаваемых контуром коммутации.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг.1 представлена блок-схема электронного регулятора мощности согласно настоящему изобретению. Регулятор мощности содержит контур 1 коммутации и управляющий контур 2. Контур 1 коммутации включен последовательно с нагрузкой 3. Источник 4 питания представляет собой источник переменного тока, в частности электрическую сеть. Контур 1 коммутации управляется посредством управляющего контура 2 таким образом, чтобы к нагрузке подавалась желаемая мощность.

Контур 1 коммутации содержит два полупроводниковых коммутирующих контура: первый, транзисторный коммутирующий контур 5 и включенный параллельно ему второй, тиристорный коммутирующий контур 6. Управляющий контур 2 содержит контур 7 синхронизации и контур 8 регулировки. Контур 7 синхронизации через источник питания включен параллельно контуру, включающему контур 1 коммутации и нагрузку 3. Благодаря указанной схеме включения обнаруживаются флуктуации напряжения U питания, например сетевого напряжения, приложенного к контуру 1 коммутации и к нагрузке 3, как и флуктуации протекающего через них тока I и, по меньшей мере, точки перехода напряжения U через ноль.

Для работы совместно с электронным регулятором мощности предлагается устройство для подавления радиопомех. Устройство по изобретению содержит индуктор, например спираль 9, с малой индуктивностью, который включен последовательно с тиристорным коммутирующим контуром 6. При этом тиристорный коммутирующий контур 6 и спираль 9 включены параллельно транзисторному коммутирующему контуру 5.

С помощью контура 7 синхронизации производится отслеживание уровня напряжения, поданного на контур 1 коммутации, и тем самым значение тока через нагрузку. В результате имеется возможность определить точки перехода через ноль тока нагрузки (этот процесс иллюстрируется пунктирной линией, проведенной от контура 7 синхронизации к точке между контуром 1 коммутации и нагрузкой 3).

Сигнал синхронизации, поступающий от контура 7 синхронизации и отмечающий точки перехода через ноль, поступает в контур 8 регулировки. Контур 8 регулировки содержит два регулирующих контура 81 и 82, предназначенных для управления, на основе сигнала синхронизации и заданного уровня регулируемой мощности, транзисторным коммутирующим контуром 5 и тиристорным коммутирующим контуром 6, образующими контур 1 коммутации, путем повторяющейся коммутации из проводящего состояния в запертое состояние.

В предпочтительном варианте осуществления транзисторный коммутирующий контур 5 содержит пару полевых транзисторов, а именно два полевых транзистора 5а, 5b, соединенных последовательно. Истоки S обоих транзисторов соединены друг с другом и с “землей”, сток D одного транзистора соединен с входным электродом регулятора мощности, т.е. с сетевой клеммой SN, а сток другого – с выходным электродом, т.е. клеммой KN, связанной с нагрузкой. Затворы Н пары полевых транзисторов соединены друг с другом, и на них подается управляющее напряжение. В данном варианте тиристорный коммутирующий контур 6 содержит пару тиристоров, а именно два тиристора 6а, 6b, включенных параллельно и с противоположными направлениями проводимости. На управляющий электрод Н обоих тиристоров управляющее напряжение подается поочередно, в зависимости от того, является ли напряжение питания в текущий полупериод положительными или отрицательным. Последовательно с тиристорной парой 6а, 6b включена спираль 9. Тиристорная пара 6а, 6b и спираль 9 включены параллельно по отношению к указанной паре полевых транзисторов 5а, 5b.

Электронный регулятор мощности работает следующим образом. Контур 1 коммутации периодически переключается в проводящее состояние в течение полупериода напряжения U питания через интервал времени t относительно перехода напряжения питания через нулевую точку 0, как это показано на фиг.3. Интервал может задаваться пользователем с помощью устройства настройки, предусмотренного в составе контура 8 регулировки и представляющего собой, например, потенциометр. Этот интервал задает длительность протекания тока через нагрузку в течение каждого полупериода р, а также уровень электрической мощности, подаваемой в нагрузку.

Управление регулятором мощности производится в две стадии. Управление регулятором основано на синхронизации, а именно с помощью контура 7 синхронизации отслеживается, по меньшей мере, текущее значение напряжения U питания и, следовательно, значение напряжения, приложенного к контуру 1 коммутации и к нагрузке 3. Посредством контура 7 синхронизации определяются, по меньшей мере, точки перехода напряжения U питания через ноль. Управление контуром 1 коммутации обеспечивается контуром 8, 81, 82 регулировки на основе сигналов синхронизации, поступающих от контура 7 синхронизации. На первой стадии, под управлением первого регулирующего контура 81, за счет подачи соответствующего управляющего напряжения, производится медленное отпирание транзисторного коммутирующего контура 5, т.е. его переключение в проводящее состояние. В контексте данного описания медленное переключение означает, что скорость возрастания тока нагрузки ограничена, поскольку она непосредственно коррелирует с образованием радиопомех. Первый регулирующий контур 81 имеет в своем составе контур замедления скорости возрастания управляющего напряжения для того, чтобы обеспечить переключение транзисторного коммутирующего контура 5 в проводящее состояние управляемым образом. В указанном контуре замедления используется, например, специфическая емкость коммутирующего транзистора, например канальная емкость полевого транзистора и/или емкость С, включенная параллельно транзистору, и сопротивление R, подключенное к управляющему электроду, такому как затвор. Совместно С и R формируют RC-цепь и, следовательно, постоянную времени для скорости возрастания тока, проходящего через коммутирующий контур. Когда транзисторный коммутирующий контур 5 переключится в проводящее состояние, вслед за ним, с небольшой задержкой , в проводящее состояние перейдет под управлением второго контура 82 регулировки и тиристорный коммутирующий контур 6, как это показано на фиг.3. В этом варианте второй контур 82 регулировки предпочтительно содержит соответствующий замедляющий контур, обеспечивающий задержку относительно управляющего напряжения на первом контуре 81 регулировки.

На фиг. 3 показаны управляющие напряжения U_ty и U_tr для тиристорного и транзисторного коммутирующих контуров соответственно, а также напряжение U_L на нагрузке и напряжение питания. На фиг.4 представлены, в увеличенном масштабе по временной шкале, указанные управляющие напряжения U_ty и U_tr, ток I_tr через транзисторный коммутирующий контур и ток I_ty через тиристорный коммутирующий контур на основе симистора, а также напряжение U_L на нагрузке в момент времени, когда транзисторный коммутирующий контур 5 и тиристорный коммутирующий контур 6 переключены в проводящее состояние.

Переключение контура 1 коммутации в состояние отсечки, т.е. перевод его в запертое состояние, предпочтительно выполняется в следующей точке перехода через ноль переменного тока, протекающего через нагрузку 3. Для тиристорного коммутирующего контура 6 точка перехода через ноль тока через нагрузку соответствует такому значению тока, при котором он становится меньше тока запирания тиристорного коммутирующего контура 6а, 6b, составляющего около 1 мА. Когда ток через нагрузку падает ниже уровня тока запирания, тиристорный коммутирующий контур запирается.

Транзисторный коммутирующий контур 5 переводится в закрытое состояние в следующей точке перехода через ноль напряжения питания. Применительно к сетевому напряжению это запирание обеспечивается посредством синхронизирующего импульса, поступающего от контура 7 синхронизации.

В случае резистивной нагрузки точки перехода через ноль для напряжения питания и для тока совпадают, однако при индуктивной нагрузке ток через нагрузку следует за напряжением питания с определенной задержкой. В этом случае обеспечивается желательное запирание транзисторного коммутирующего контура 5 только после запирания тиристорного коммутирующего контура 6, когда ток через нагрузку упадет ниже заранее установленного тока запирания тиристорного коммутирующего контура.

В качестве альтернативного варианта, можно измерять напряжение на транзисторном коммутирующем контуре 5 посредством соответствующих средств контура 7 синхронизации и на основе этих измерений определять точку прохождения через ноль для тока через нагрузку, соответствующую переключению транзисторного коммутирующего контура 5 в запертое состояние. Ток, соответствующий такому переключению транзисторного коммутирующего контура 5 в случае использования пары полевых транзисторов, составляет порядка 200 мкА. В этом случае транзисторный коммутирующий контур 5 будет переключаться в запертое состояние только после переключения в запертое состояние тиристорного коммутирующего контура 6.

Далее будет рассмотрено влияние спирали 9 или соответствующего ей индуктора малой индуктивности на работу контура 1 коммутации, описанного выше. Предположим, что спираль 9 или другой индуктор отсутствует. Когда транзисторный коммутирующий контур 5 находится в проводящем состоянии, на этом контуре, т.е. между стоком D и истоком S, имеется небольшое падение U_a напряжения, составляющее порядка 3 В. Соответственно, падение U_b напряжения на открытом тиристорном коммутирующем контуре 6 составляет порядка 1,5 В. В ситуации коммутации, когда транзисторный коммутирующий контур 5 находится в проводящем состоянии, а тиристорный коммутирующий контур 6 переключается в проводящее состояние в момент времени t + , происходит мгновенный спад (скачок) напряжения U_L, т.е. U_ab=U_a-U_b=около 1,5 В. Этот скачок изображен штриховой линией на фиг.5. Скачок напряжения U_ab=U_a-U_b сопровождается скачком тока, вызывающим радиопомеху.

Если же последовательно с тиристорным коммутирующим контуром 6 включена спираль 9 с малой индуктивностью, как это показано на фиг.1 и 2, то уменьшение напряжения U_ab=U_a-U_b происходит не мгновенно, а с небольшим градиентом, как это показано на фиг.5; соответственно скачок тока не возникает. Малая индуктивность препятствует любому быстрому изменению напряжения/тока. В связи с этим уменьшение U_ab=U_a-U_b напряжения протекает медленно, и радиопомеха не создается. Следует отметить, что в случае обычного питания от сети уровень самого напряжения на нагрузке в момент переключения составляет порядка 300 В.

Фиг. 6 иллюстрирует результаты измерений радиопомех, полученные при использовании коммутирующего контура 5, как при подключении описанным образом небольшой спирали 9 (кривая а), так и при ее отсутствии (кривая b). Из сравнения кривой а с кривой b, соответствующей контуру коммутации без спирали, можно видеть, что уровень радиопомехи, например, на частоте 150 кГц снижается примерно на 20 дБ.

Настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными предпочтительными вариантами осуществления; возможны и многие другие модификации, не выходящие за границы идеи изобретения, определенной в прилагаемой формуле изобретения.

Формула изобретения

Устройство для подавления радиопомех в электронном регуляторе мощности, содержащем контур (1) коммутации и управляющий контур (2), причем указанный контур (1) коммутации содержит два включенных параллельно полупроводниковых коммутирующих контура (5, 6), один из которых является транзисторным коммутирующим контуром (5), а другой тиристорным коммутирующим контуром (6), и соединен последовательно с нагрузкой (3), при этом регулятор мощности регулирует переменный ток, подаваемый в нагрузку посредством переключения с помощью управляющего контура (2) в проводящее состояние сначала в момент времени (t) в пределах полупериода напряжения питания транзисторного коммутирующего контура (5) с немедленным переключением вслед за этим в проводящее состояние тиристорного коммутирующего контура (6) с предпочтительным переключением обоих коммутирующих контуров (5, 6) в запертое состояние в следующей точке перехода через ноль в данном полупериоде, отличающееся тем, что устройство содержит индуктор, например, в виде спирали (9), с малой индуктивностью, который включен последовательно с тиристорным коммутирующим контуром (6) так, что тиристорный коммутирующий контур (6) и индуктор (9) включены параллельно транзисторному коммутирующему контуру (5).

РИСУНКИ