Коммутационная схема и способ управления потребителем электроэнергии

Коммутационная схема и способ управления потребителем электроэнергии

Реферат

Изобретение относится к коммутационной схеме и способу управления потребителем электроэнергии, например, к электронным переключателям, управляемым посредством схемы управления и соединенным по мостовой схеме, с помощью которых эксплуатируется электродвигатель портативного электроприбора, работающего от аккумулятора.

Такая коммутационная схема описана в DE 10 2005 059 571. Из DE 102 46 520 А1 известны также электрическая схема и способ управления электродвигателем портативного электроприбора колебательного движения, работающим от аккумулятора, с помощью мостовой схемы. Если портативный электроприбор работает, например, от литий-ионного аккумулятора, а электронные переключатели мостовой схемы управляются схемой управления либо с помощью «низкого» уровня сигнала, либо с помощью «высокого» уровня сигнала, то при переключении электронных переключателей питающее напряжение может резко упасть или наоборот возрасти более чем вдвое, поскольку литий-ионный аккумулятор по сравнению с другими аккумуляторами имеет большую паразитную индуктивность, которая при изменении тока индуцирует соответствующую противо-эдс.

Задачей настоящего изобретения являются создание коммутационной схемы и способа управления потребителем электроэнергии, специально рассчитанным на работу от источника напряжения с большой паразитной индуктивностью.

Согласно изобретению эта задача решается с помощью коммутационной схемы, содержащей по меньшей мере один электронный переключатель и схему управления, переключающую электронный переключатель из непроводящего состояния в проводящее и/или наоборот таким образом, что временные изменения протекающего тока оказываются относительно небольшими. В результате относительно большая паразитная индуктивность литий-ионного аккумулятора, используемого для электропитания, не наводит чрезмерно больших противо-эдс, так что, например, микроконтроллер, используемый в качестве схемы управления, может снабжаться током непосредственно от аккумулятора, т.е., например, от конденсатора для сглаживания напряжения аккумулятора можно отказаться. Эта коммутационная схема предпочтительно, предназначена для электрических зубных щеток или электробритв, содержащих в качестве привода электродвигатель колебательного движения или линейный электродвигатель и работающих от литий-ионного аккумулятора, и отличается небольшими затратами на схему.

Однако большие изменения протекающего тока по времени могут наводить нежелательно большие противо-эдс не только за счет относительно большой паразитной индуктивности литий-ионного аккумулятора, используемого для электропитания, но и, конечно, за счет индуктивности потребителя электроэнергии, управляемого с помощью коммутационной схемы. Если потребитель представляет собой индуктивную нагрузку, способ согласно изобретению используется по меньшей мере при выключении тока, протекающего через потребителя.

В способе управления потребителем электроэнергии согласно изобретению схема управления переключает электронный переключатель/электронные переключатели по меньшей мере за два шага из проводящего состояния в непроводящее и/или наоборот, например, уровень сигнала на управляющем выводе схемы управления или на управляющем выводе электронного переключателя переключается с «низкого уровня сигнала» через «размыкание» на «высокий уровень сигнала» или с «высокого уровня сигнала» через «размыкание» на «низкий уровень сигнала». Способ согласно изобретению при схеме управления, выполненной по технологии КМОП-структур, предпочтительно, реализуется таким образом, что управляющий вывод схемы управления может подключаться в качестве входа («высокоомное сопротивление») или в качестве выхода («низкий уровень сигнала» или «высокий уровень сигнала») («три состояния»), а для переключения электронного переключателя из проводящего состояния в непроводящее и/или наоборот управляющий вывод электронного переключателя переключается с «низкого уровня сигнала» через «высокоомное сопротивление» на «высокий уровень сигнала» или с «высокого уровня сигнала» через «высокоомное сопротивление» на «низкий уровень сигнала». Предпочтительно, схема управления выполняет второй шаг, т.е. переключение с «высокоомного сопротивления» на «высокий уровень сигнала» или на «низкий уровень сигнала» только после того, как электронный переключатель изменит свое состояние («проводящее» или «непроводящее).

В коммутационной схеме согласно изобретению, в которой схема управления управляет потребителем электроэнергии с помощью четырех электронных переключателей, соединенных по мостовой схеме, а потребитель включен в диагональ мостовой схемы, схема управления содержит управляющие выводы для четырех электронных переключателей. Согласно изобретению управляющий вывод первого электронного переключателя через последовательно включенные первый конденсатор и первое сопротивление соединен с управляющим выводом четвертого электронного переключателя, а управляющий вывод третьего электронного переключателя через последовательно включенные второй конденсатор и второе сопротивление - с управляющим выводом второго электронного переключателя. Первый и четвертый электронные переключатели соединены с одним концевым выводом потребителя электроэнергии, а второй и третий электронные переключатели - с другим концевым выводом потребителя электроэнергии.

Ниже изобретение поясняется на примере варианта осуществления коммутационной схемы управления потребителем электроэнергии согласно изобретению, изображенной на единственном чертеже. Другие варианты осуществления описаны в описании.

Коммутационная схема согласно изобретению, изображенная на чертеже, содержит аккумулятор А, имеющий паразитную индуктивность L. Кроме того, имеется мостовая схема, содержащая четыре транзистора V1, V2, V3, V4, в диагональ которой включен электродвигатель М или какой-либо другой потребитель электроэнергии. Четыре транзистора V1, V2, V3, V4 являются полевыми МОП-транзисторами, имеющими самим по себе известным образом по одному защитному диоду. Они могут управляться с помощью схемы uC управления, имеющей для этой цели управляющие выводы, каждый из которых может находиться в состояниях «высокоомное сопротивление» (вход) или «высокий уровень сигнала», или «низкий уровень сигнала» (выход) («три состояния»). Схема uC управления снабжается током от аккумулятора А непосредственно. Первый транзистор V1 и третий транзистор V3 являются канальными полевыми МОП-транзисторами n-типа, выводы истока которых соединены с отрицательным полюсом аккумулятора А; второй транзистор V2 и четвертый транзистор V4 являются канальными полевыми МОП-транзисторами р-типа, выводы истока которых соединены с положительным полюсом аккумулятора А. Выводы стока первого V1 и четвертого полевого МОП-транзистора V4 соединены с одним концевым выводом двигателя М, а выводы стока второго V2 и третьего полевого МОП-транзистора V3 соединены с другим концевым выводом М. Выводы затворов четырех транзисторов V1, V2, V3, V4 через сопротивления Rg затвора соединены каждый с одни из четырех управляющих выводом схемы uC управления. Сопротивления Rg затвора служат для ограничения общего тока, протекающего в схему управления при управлении транзисторами. Они могут также отсутствовать, если схема управления рассчитана на соответствующие большие токи. Вывод истока каждого транзистора через соответствующее нагрузочное сопротивление (Pull-up/Pull-down) Rp и через соответствующее сопротивление Rg затвора соединен с выводом затвора соответствующего транзистора. Управляющий вывод для первого транзистора V1 через последовательно включенные первое сопротивление R1 и первый конденсатор С1 соединен с управляющим выводом для четвертого транзистора V4. Управляющий вывод для третьего транзистора V3 через последовательно включенные второе сопротивление R2 и второй конденсатор С2 соединен с управляющим выводом второго транзистора V2.

Принцип действия схемы, изображенной на чертеже, описывается ниже. В рассматриваемом сначала исходном положении электрическая схема находится в таком состоянии, в котором к управляющим выводам четвертого транзистора V4 и первого транзистора V1 приложен «низкий» потенциал, а к управляющим выводам второго транзистора V2 и третьего транзистора V3 - «высокий» потенциал. Таким образом, четвертый транзистор V4 и третий транзистор V3 открыты, в то время как первый транзистор V1 и второй транзистор V2 закрыты, так что из аккумулятора А ток в двигатель М поступает через четвертый транзистор V4 и третий транзистор V3. После этого коммутационная схема должна переключиться в состояние, в котором ток через двигатель М протекает в противоположном направлении, т.е. из аккумулятора А через второй транзистор V2 и первый транзистор V1. Это переключение, т.е. отключение тока, протекающего в данный момент, и последующее включение тока в противоположном направлении, поясняются ниже.

В вышеописанном исходном положении к управляющим выводам четвертого транзистора V4 и первого транзистора V1 приложен «низкий» потенциал, так что первый конденсатор С1 разряжен. Отключение тока, протекающего в данный момент, начинается с того, что схема uC управления в момент Т1 времени переключает управляющий вывод четвертого транзистора V4 с «низкого уровня сигнала» на «высокоомное сопротивление», вследствие чего напряжение на затворе четвертого транзистора V4 устанавливается на величине, определяемой отношением Rp/R1. В результате напряжение теперь приложено к конденсатору С1, и последний заряжается. Одновременно разряжается емкость Миллера (паразитная емкость затвор-сток) четвертого транзистора V4. Зарядка конденсатора С1 вызывает дальнейшее повышение напряжения на затворе четвертого транзистора V4 и тем самым дальнейшее разряжение емкости Миллера четвертого транзистора V4. Когда напряжение между затвором и стоком в момент Т2>Т1 времени достигает примерно той же величины, что и напряжение между стоком и истоком, четвертый транзистор V4 переходит в свое закрытое состояние, и емкость Миллера уменьшается до сравнительно малого значения. После этого напряжение на затворе четвертого транзистора V4 продолжает расти, причем постоянная времени этого изменения напряжения теперь, правда, почти не зависит больше от емкости Миллера, а зависит главным образом от емкости первого конденсатора С1 и от суммы сопротивлений Rp+R1. В момент Т3>Т2 времени схема uC управления переключает управляющий вывод четвертого транзистора V4 с «высокоомного сопротивления» на «высокий уровень сигнала», вследствие чего отключение четвертого транзистора V4 заканчивается. При соответствующем подборе первого конденсатора С1 и сопротивлений Rp и Rg, а также при соответствующем выборе момента Т3 переключения относительно Т1 или Т2 происходит плавное отключение электрода четвертого транзистора V4, так что изменение протекающего тока во времени настолько мало, что на напряжении аккумулятора это почти не сказывается.

Выключение третьего транзистора V3 по времени может совпадать с выключением четвертого транзистора V4. Однако, предпочтительно, чтобы третий транзистор V3 выключался лишь тогда, когда остается лишь небольшой ток или когда он пропадает совсем, т.е. имеет место смещение по времени относительно выключения четвертого транзистора V4. Выключение третьего транзистора V3 может происходить по тому же сценарию, как это было описано выше на примере четвертого транзистора V4. Если через третий транзистор V3 все же протекает небольшой ток или не протекает вообще никакого тока, он может быть даже выключен «резко», для чего схема uC управления непосредственно переключает соответствующий управляющий вывод с «высокого уровня сигнала» на «низкий уровень сигнала», не вызывая при этом сколь либо заметных напряжений помех. В результате выключения третьего транзистора V3 второй конденсатор С2 заряжается.

Однако особенно предпочтительно, чтобы после выключения четвертого транзистора V4 включался первый транзистор V1, а третий транзистор V3 еще оставался включенным, т.е. чтобы двигатель М был замкнут накоротко через первый транзистор V1 и третий транзистор V3, как это описано в DE 10246520 А1. Тогда ток короткого замыкания, по-прежнему протекающий из-за наличия индуктивности двигателя М даже после отключения четвертого транзистора V4, потребляется и не может попасть в аккумулятор через защитные диоды первого транзистора V1 и второго транзистора V2. Таким образом, коэффициент полезного действия электрической схемы повышается, и предотвращается наведение напряжений помех паразитной индуктивностью аккумулятора. Лишь тогда, когда ток через двигатель М практически прекращается, выключается третий транзистор V3. После этого может включиться второй транзистор V2, для чего схема uC управления непосредственно переключает соответствующий управляющий вывод с «высокого уровня сигнала» на «низкий уровень сигнала», так что теперь через первый транзистор V1 и второй транзистор V2 ток через двигатель М может проходить в противоположном направлении, причем из-за наличия индуктивности двигателя изменение тока во времени при включении второго транзистора V2 достаточно мало.

В том случае, если включение первого транзистора V1 и второго транзистора V2 произойдет лишь после выключения третьего транзистора V3 и четвертого транзистора V4, для протекания тока через двигатель М в противоположном направлении, предпочтительно, чтобы включились сначала первый транзистор V1, а затем второй транзистор V2, причем первый транзистор V1 может включаться даже «резко», для чего схема uC управления непосредственно переключает соответствующий управляющий вывод с «низкого уровня сигнала» на «высокий уровень сигнала», не вызывая при этом сколь либо заметных напряжений помех. В результате включения первого транзистора V1 первый конденсатор С1 разряжается. После этого включается второй транзистор V2, что также может происходить «резко», если потребитель электроэнергии представляет собой индуктивную нагрузку. Отключение тока, протекающего через двигатель М, а также через второй транзистор V2 и первый транзистор V1 происходит так, как это уже было описано выше на примере отключения тока, протекающего через четвертый транзистор V4 и третий транзистор V3.

Таким образом, выключение, а при необходимости включение электронного переключателя происходит следующим образом. Схема управления переключает свой управляющий вывод, который для управления электронным переключателем может подключаться или как вход («высокоомное сопротивление») или как выход («низкий уровень сигнала» или «высокий уровень сигнала») («три состояния»), в качестве первого шага с «низкого уровня сигнала» на «высокоомное сопротивление» и лишь в качестве второго шага - на «высокий уровень сигнала». Временной интервал между первым и вторым шагами определяется емкостью Миллера и, предпочтительно, жестко устанавливается путем соответствующего подбора схемы включения электронного переключателя, включающей по меньшей мере одно сопротивление и один конденсатор, причем схема включения в случае вышеописанной мостовой схемы образована сопротивлениями Rp, Rg, R1, R2, а также первым конденсатором С1 и вторым конденсатором С2.

1. Коммутационная схема управления потребителем (М) электроэнергии с мостовой схемой, содержащей четыре электронных переключателя (V1, V2, V3, V4), в диагональ которой включен потребитель (М), содержащая схему (uС) управления, имеющую управляющие выводы для четырех электронных переключателей, отличающаяся тем, что управляющий вывод для первого электронного переключателя (V1) через последовательно включенные первый конденсатор (С1) и первое сопротивление (R1) соединен с управляющим выводом для четвертого электронного переключателя (V4), а управляющий вывод для третьего электронного переключателя (V3) через последовательно включенные второй конденсатор (С2) и второе сопротивление (R2) соединен с управляющим выводом для второго электронного переключателя (V2).

2. Коммутационная схема по п.1, отличающаяся тем, что электронные переключатели (V1, V2, V3, V4) состоят из транзисторов, предпочтительно из мощных МОП-транзисторов.

3. Коммутационная схема по п.1 или 2, отличающаяся тем, что схема (uС) управления состоит из микроконтроллера, предпочтительно микроконтроллера, выполненного по технологии КМОП-структур.

4. Коммутационная схема по п.1, отличающаяся тем, что управляющие выводы схемы (uС) управления выполнены с возможностью подключения в качестве входа «высокоомное сопротивление» или выхода «низкий уровень сигнала» или «высокий уровень сигнала», реализуя «три состояния».

5. Коммутационная схема по п.1, отличающаяся тем, что каждый управляющий вывод схемы (uС) управления соединен с управляющим выводом соответствующего электронного переключателя через сопротивление (Rg) затвора.

6. Коммутационная схема по п.2, отличающаяся тем, что каждый управляющий вывод схемы (uС) управления соединен с выводом стока соответствующего электронного переключателя через регулируемое сопротивление (Rp) с функцией Pull-up/Pull-down.

7. Портативный электроприбор с электрической схемой по любому из пп.1-6.

8. Способ переключения электронного переключателя посредством схемы управления, содержащей управляющий вывод для управления электронным переключателем, который выполнен с возможностью подключения либо в качестве входа «высокоомное сопротивление» либо в качестве выхода «низкий уровень сигнала» или «высокий уровень сигнала», реализуя «три состояния», отличающийся тем, что для переключения электронного переключателя (V1, V2, V3, V4) из проводящего состояния в непроводящее и/или наоборот посредством схемы управления последовательно выполняют два шага, а именно: переключает соответствующий управляющий вывод схемы (иС) управления сначала с «низкого уровня сигнала» на «высокоомное сопротивление», а затем на «высокий уровень сигнала» или сначала с «высокого уровня сигнала» на «высокоомное сопротивление», а затем на «низкий уровень сигнала».

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что посредством схемы управления выполняют второй шаг, а именно: переключение с «высокоомного сопротивления» на «высокий уровень сигнала» или на «низкий уровень сигнала» лишь после того, как электронный переключатель (V1, V2, V3, V4) изменит свое состояние «проводящее» или «непроводящее».

10. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что временной интервал между первым и вторым шагами определяют соответствующим подбором схемы включения электронного переключателя (V1, V2, V3, V4), содержащей по меньшей мере одно сопротивление (R1; R2; Rp) и один конденсатор (C1; C2), в соответствии с емкостью Миллера электронного переключателя (V1, V2, V3, V4).

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что несколько электронных переключателей (V1, V2, V3, V4) соединены по мостовой схеме.

12. Портативный электроприбор по меньшей мере с одним электронным переключателем (V1, V2, V3, V4), переключаемым согласно способу по любому из пп.8-11.