PL B BUP 14/05. Reszke Edward,Wrocław,PL WUP 05/09 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H05B 6/66 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Regulowany zasilacz, zwłaszcza do mikrofalowych urządzeń grzewczych (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 14/05 (76) Uprawniony i twórca wynalazku: Reszke Edward,Wrocław,PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/09 PL B1 (57) Regulowany zasilacz, zwłaszcza do mikrofalowych urządzeń grzewczych wyposażony w transformator wysokiego napięcia, którego uzwojenie wtórne połączone jest przez kondensator oraz prostownik diodowo-tyrystorowy z katodą magnetronu, przy czym prostownik diodowo-tyrystorowy ma diodę prostowniczą połączoną szeregowo ze stosem i rezystorem, zaś stos jest utworzony z szeregowo połączonych tyrystorów, znamienny tym, że z diodą prostowniczą (Dr) połączone są szeregowo, co najmniej dwa tyrystory (Ty1, Ty2, Ty3, Ty4, Ty5), przy czym tylko pierwszy tyrystor (Ty1) ma bramkę wyzwalaną zewnętrznym impulsem bramkowym (U B ), zaś pozostałe tyrystory (Ty2, Ty3, Ty4, Ty5) połączone są szeregowo z pierwszym tyrystorem (Ty1) tak, że katoda poprzedniego tyrystora (Ty1, Ty2, Ty3, Ty4) i anoda następnego tyrystora (Ty2, Ty3, Ty4, Ty5) są połączone we wspólnym punkcie i mają bramki wyzwalane za pośrednictwem dwójników (R1C2, R2C2, R3C3, R4C4, R5C5) w postaci szeregowo połączonych kondensatorów (C2, C2, C3, C4, C5) i rezystorów (R1, R2, R3, R4, R5) łączących kolejno katodę poprzedniego tyrystora (Ty1, Ty2, Ty3, Ty4) z bramką sterującą następnego tyrystora (Ty2, Ty3, Ty4, Ty5), przy czym tylko ostatni dwójnik (R5C5) rozpięty jest pomiędzy anodą i katodą ostatniego tyrystora (Ty5), którego anoda połączona jest z diodą prostowniczą (Dr) zamykającą cały stos (STy), ponadto dioda prostownicza (Dr).

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest regulowany zasilacz, zwłaszcza do mikrofalowych urządzeń grzewczych, przeznaczony jako źródło prądu magnetronu mikrofalowego zwłaszcza w urządzeniach grzewczych. Regulacja mocy magnetronów w mikrofalowych urządzeniach grzewczych jak np. kuchenki mikrofalowe, wciąż stanowi problem techniczny w szczególności gdy chodzi o wysoką niezawodność przy niskim koszcie produkcji. Z tego względu regulacja mocy w popularnych kuchenkach mikrofalowych jest regulowana czasem włączenia i wyłączenia układu w cyklach kilkunastosekundowych. Od początku 21 wieku kuchenki mikrofalowe, wyposażone są w regulator mocy w postaci przetwornic tranzystorowe (kuchnie typu inverter), zapewniające płynną nastawę mocy. Tymczasem wciąż większość mikrofalowego sprzętu grzejnego wyposażona jest w najprostszy zasilacz, w którym rolę stabilizatora prądu magnetronu pełni ferrorezonansowy podwajacz wysokiego napięcia złożony z transformatora anodowego o dużym rozproszeniu, kondensatora i nie sterowanego prostownika zrealizowanego za pomocą wysokonapięciowej diody prostowniczej, zaś regulacja mocy średniej uzyskiwana jest przez odpowiednie włączanie i wyłączanie tego zasilacza po stronie pierwotnej. W literaturze patentowej można znaleźć układy zasilaczy pozwalających regulować prąd magnetronu i zostały one opisane w patentach amerykańskim US i polskim PL174282, w których w miejsce wysokonapięciowej diody prostowniczej zaproponowano diodę połączoną z wysokonapięciowym tyrystorem lub stosem tyrystorów. Układ ten ma sieciowy transformator wysokiego napięcia, którego wtórne uzwojenie jest połączone poprzez kondensator z katodą magnetronu, która jednocześnie jest połączona z anodą wysokonapięciowej diody. Katoda wysokonapięciowej diody jest połączona z masą układu poprzez tyrystorowo-pojemnościowy układ. Tyrystorowo-pojemnościowy układ jest utworzony z tyrystora, którego anoda jest połączona z katodą dodatkowym kondensatorem lub też tyrystorowo-pojemnościowy układ jest utworzony z szeregowego połączenia co najmniej dwóch tyrystorów jednocześnie wyzwalanych i sterowanych przez sterujący układ, z których każdy tyrystor ma katodę połączoną z anodą poprzez przynależny mu dodatkowy kondensator. W układzie tym kondensator włączony pomiędzy anodę i katodę tyrystora lub pomiędzy anody i katody tyrystorów, zapewnia prądu podtrzymania dla tyrystorów startowych, niezbędny ze względu na dużą indukcyjność transformatora. W układzie tym zastosowane są typowe seryjne elementy kuchni mikrofalowych jak transformator, kondensator i dioda do realizacji zasilacza z płynną regulacją prądu. Niedogodnością jest konieczność stosowania dobrze izolowanych transformatorów bramkowych w wysokonapięciowym stosie tyrystorowym zapewniających jednoczesny zapłon tyrystorów. Wyeliminowanie tych transformatorów zapłonowych jest możliwe poprzez użycie opto-tyrystorów lub opto-triaków, ale i tak zmodyfikowany układ nie posiada cech umożliwiających integrację regulatora w postaci hybrydy lub układu scalonego, co przekreśliło możliwość jego masowego zastosowania. Regulowany zasilacz, zwłaszcza do mikrofalowych urządzeń grzewczych według wynalazku, jest przeznaczony, zwłaszcza do zastosowania jako źródło prądu magnetronu mikrofalowego w urządzeniu grzewczym i wyposażony w transformator wysokiego napięcia, którego uzwojenie wtórne połączone jest przez kondensator oraz prostownik diodowo-tyrystorowy z katodą magnetronu. przy czym prostownik diodowo-tyrystorowy ma diodę prostowniczą połączoną szeregowo ze stosem i rezystorem, zaś stos jest utworzony z szeregowo połączonych tyrystorów, charakteryzuje się tym, że szeregowo z diodą prostowniczą połączone są szeregowo, co najmniej dwa tyrystory, przy czym tylko pierwszy tyrystor ma bramkę wyzwalaną zewnętrznym impulsem bramkowym, zaś pozostałe tyrystory połączone są szeregowo z pierwszym tyrystorem tak, że katoda poprzedniego tyrystora i anoda następnego tyrystora są połączone we wspólnym punkcie i mają bramki wyzwalane za pośrednictwem dwójników w postaci szeregowo połączonych kondensatorów i rezystorów, łączących kolejno katodę poprzedniego tyrystora z bramką sterującą następnego tyrystora. Ostatni dwójnik rozpięty jest pomiędzy anodą i katodą ostatniego tyrystora, którego anoda połączona jest z diodą prostowniczą zamykającą cały stos. Dioda prostownicza przed podaniem zewnętrznego impulsu wyzwalającego na bramkę pierwszego tyrystora, jest prostownikiem zapewniającym ładowanie kondensatorów we wszystkich dwójnikach. Pomiędzy bramką i katodą kolejnych tyrystorów są włączone zaporowo diody bramkowe umożliwiające ładowanie kondensatorów kolejnych dwójników. Regulowany zasilacz według wynalazku, stosowany jest jako regulator prądu (mocy) magnetronu mikrofalowego fali ciągłej może być scalony i produkowany w skali masowej bez żadnych ograniczeń, bowiem nie zawiera transformatorów bramkowych a wyzwalanie wysokonapięciowego stosu tyrystorowego zastosowanego jako sterowany prostownik w ferrorezonansowym podwajaczu napięcia

3 PL B1 3 wymaga jedynie jednego impulsu bramkowego o potencjale bliskim masy zasilacza. Dioda w nowym układzie zasilacza podobnie jak w patentach US i PL174282, powoduje naładowanie kondensatorów we wszystkich dwójnikach, choć całkiem inaczej włączonych, przed podaniem zewnętrznego impulsu wyzwalającego, tylko na bramkę pierwszego tyrystora. Spadki napięć na wszystkich zablokowanych tyrystorach są w przybliżeniu jednakowe, natomiast po włączeniu pierwszego tyrystora impulsem bramkowym, naładowany uprzednio pierwszy dwójnik rozpięty pomiędzy katodą pierwszego i bramką drugiego tyrystora rozładowuje się przez obwód bramki drugiego tyrystora, którego włączenie się powoduje pobudzenie bramki trzeciego tyrystora, przy czym proces ten powtarza się lawinowo aż wszystkie tyrystory zostaną włączone. I to właśnie rozładowania kolejnych dwójników zadają wstępne wartości prądów wszystkich tyrystorów tak, że włączenie całego stosu jest możliwe nawet przy względnie wysokiej indukcyjności transformatora wysokiego napięcia. Ponadto układ według wynalazku ze względu na sekwencyjne włączanie się tyrystorów nie wymaga stosowania żadnych dodatkowych dwójników gasikowych. Brak dodatkowych elementów w układzie według wynalazku zwiększa niezawodność i może ułatwić scalanie lub hybrydyzowanie układu regulatora jako modułu funkcjonalnego. Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia regulowany zasilacz, zwłaszcza do mikrofalowych urządzeń grzewczych z dwoma tyrystorami a fig. 2 - regulowany zasilacz z pięcioma tyrystorami. P r z y k ł a d 1 Regulowany zasilacz, zwłaszcza do mikrofalowych urządzeń grzewczych wyposażony w dwa tyrystory i przedstawiony na fig. 1, ma transformator TR posiadający uzwojenie pierwotne Z1 sieciowe oraz 2 uzwojenia wtórne, z których jedno niskonapięciowe Z3 służy do żarzenia magnetronu, zaś drugie wysokonapięciowe Z2 jednostronnie uziemione połączone jest z kondensatorem Cr, którego drugie wyprowadzenie połączone jest z wysokonapięciową diodą prostowniczą Dr oraz z zaciskiem katody K magnetronu M. Szeregowo z diodą prostowniczą Dr połączony jest stos tyrystorowy STy złożony z dwóch tyrystorów Ty1 i Ty2, których bramki w kierunku zaporowym, zostały zablokowane diodami bramkowymi DB1 i DB2, co jest korzystne dla działania układu, gdyż nie pozwala polaryzować złącz bramek tyrystorów Ty1 i Ty2 w kierunku zaporowym w trakcie ładowania dwójników R1C1, R2C2 przez diodę Dr. Katoda pierwszego tyrystora Ty1 połączona jest z masą układu poprzez rezystor Rs próbkujący prąd oraz z jednym zaciskiem pierwszego szeregowego dwójnika R1C1 złożonego z pierwszego rezystora R1 oraz pierwszego kondensatora C1, zaś drugi zacisk dwójnika R1C1 połączony jest z bramką drugiego tyrystora Ty2, który zbocznikowany jest między katodą i anodą drugim dwójnikiem R2C2 złożonym z drugiego rezystora R2 i drugiego kondensatora C2, korzystnie o wartościach identycznych z pierwszym rezystorem R1 i pierwszym kondensatorem C1. Działanie układu jest następujące: Po zaistnieniu napięcia dodatniego na uzwojeniu wysokonapięciowym Z2 transformatora TR obydwa dwójniki R1C1 i R2,C2 ładują się poprzez kondensator Cr i diodę prostowniczą Dr oraz diody bramkowe DB1, DB2, po nadejściu impulsu bramkowego U B wyzwalającego pierwszy tyrystor Ty1, na jego anodzie pojawi się niski potencjał, co oznacza że pierwszy dwójnik R1C1 wciąż trzymający ładunek musi się rozładowywać poprzez bramkę drugiego tyrystora Ty2, co powoduje jego włączenie połączone z rozładowywaniem drugiego dwójnika R2C2 a zarazem z ładowaniem kondensatora rezonansowego Cr podwajacza. Jednocześnie prąd rozładowywania dwójników R1C1 i R2C2 stanowi wstępny prąd tyrystorów Ty1 i Ty2, przy czym wstępny prąd tyrystora Ty1 jest jednocześnie prądem bramki tyrystora Ty2. Przy pojawieniu się ujemnego napięcia na uzwojeniu wysokonapięciowym transformatora TR napięcie naładowanego kondensatora Cr sumuje się z napięciem transformatora TR i powoduje przepływ prądu katody K magnetronu M. Od fazy impulsu bramkowego pierwszego tyrystora Ty1 zależy poziom naładowania kondensatora Cr, czyli zmieniając fazę impulsów tak jak się to czyni w klasycznych tyrystorowych prostownikach sterowanych, płynnie reguluje się wartością napięcia naładowania kondensatora Cr oraz prądu i mocy magnetronu. P r z y k ł a d 2 Regulowany zasilacz, zwłaszcza do mikrofalowych urządzeń grzewczych przedstawiony na fig. 2, wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że ma pięć tyrystorów. Wartości elementów wszystkich dwójników R1C2, R2C2, R3C3, R4C4 i R5C5 są jednakowe oraz zastosowanych jest pięć identycznych tyrystorów Ty1 - Ty5, pozostałe elementy, jak transformator, kondensator Cr, dioda prostownicza Dr oraz wnęka grzejna stanowią standardową kuchenkę mikrofalową o mocy wyjściowej 800 W. Działanie regulowanego zasilacza jest analogiczne jak zasilacza przedstawionego w przykładzie pierwszym. Poprzez zmianę kąta wyzwalania pierwszego tyrystora Ty1 w zakresie za pomocą typowego ściemniacza oświetlenia uzyskano regulację mocy magnetronu M kuchenki w zakresie od 0 do

4 4 PL B1 780 W. Dla uzyskania poziomu maksymalnej mocy, równej 800 W należy zwiększyć pojemność kondensatora rezonansowego o ok. 10%. Do stabilizacji zadawanych wartości prądu anodowego magnetronu M, stosuje się układ z pętlą sprzężenia zwrotnego, wyposażony we wzmacniacz operacyjny, przy czym sygnał prądowy sprzężenia zwrotnego pobierany jest z rezystora Rs. Regulowany zasilacz, według wynalazku, umożliwia tworzenie bardziej rozbudowanych konfiguracji dwu-połówkowych podwajaczy napięcia, a także konfiguracji trójfazowych poprzez równoległe łączenie zasilaczy i sumowanie impulsów wysokiego napięcia do magnetronu M (fig. 2) za pomocą sumatora diodowego Ds. Nowy regulowany zasilacz, nadaje się także do zasilania przyrządów elektronowych innych niż magnetrony, zwłaszcza do zasilania urządzeń wysokonapięciowych, w których występuje potrzeba stosowania liniowych sterowanych regulatorów mocy, wysokonapięciowych prostowników lub jako kluczy w wysokonapięciowych urządzeniach impulsowych. Zastrzeżenie patentowe Regulowany zasilacz, zwłaszcza do mikrofalowych urządzeń grzewczych wyposażony w transformator wysokiego napięcia, którego uzwojenie wtórne połączone jest przez kondensator oraz prostownik diodowo-tyrystorowy z katodą magnetronu, przy czym prostownik diodowo-tyrystorowy ma diodę prostowniczą połączoną szeregowo ze stosem i rezystorem, zaś stos jest utworzony z szeregowo połączonych tyrystorów, znamienny tym, że z diodą prostowniczą (Dr) połączone są szeregowo, co najmniej dwa tyrystory (Ty1, Ty2, Ty3, Ty4, Ty5), przy czym tylko pierwszy tyrystor (Ty1) ma bramkę wyzwalaną zewnętrznym impulsem bramkowym (U B ), zaś pozostałe tyrystory (Ty2, Ty3, Ty4, Ty5) połączone są szeregowo z pierwszym tyrystorem (Ty1) tak, że katoda poprzedniego tyrystora (Ty1, Ty2, Ty3, Ty4) i anoda następnego tyrystora (Ty2, Ty3, Ty4, Ty5) są połączone we wspólnym punkcie i mają bramki wyzwalane za pośrednictwem dwójników (R1C2, R2C2, R3C3, R4C4, R5C5) w postaci szeregowo połączonych kondensatorów (C2, C2, C3, C4, C5) i rezystorów (R1, R2, R3, R4, R5) łączących kolejno katodę poprzedniego tyrystora (Ty1, Ty2, Ty3, Ty4) z bramką sterującą następnego tyrystora (Ty2, Ty3, Ty4, Ty5), przy czym tylko ostatni dwójnik (R5C5) rozpięty jest pomiędzy anodą i katodą ostatniego tyrystora (Ty5), którego anoda połączona jest z diodą prostowniczą (Dr) zamykającą cały stos (STy), ponadto dioda prostownicza (Dr) przed podaniem zewnętrznego impulsu wyzwalającego na bramkę pierwszego tyrystora (Ty1) jest prostownikiem zapewniającym ładowanie kondensatorów (C2, C2, C3, C4, C5) we wszystkich dwójnikach (R1C2, R2C2, R3C3, R4C4, R5C5), przy czym pomiędzy bramką i katodą kolejnych tyrystorów (Ty1, Ty2, Ty3, Ty4, Ty5) są włączone zaporowo diody bramkowe (DB1, DB2, DB3, DB4, DB5) umożliwiające ładowanie kondensatorów (C2, C2, C3, C4, C5) kolejnych dwójników (R1C2, R2C2, R3C3, R4C4, R5C5).

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.