ITMI942006A1 - Dispositivo di controllo della potenza di elementi riscaldanti - Google Patents

Description

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di controllo della potenza di elementi riscaldanti ad es. resistori, lampade alogene e simili, particolarmente per elettrodomestici, ad es. piani di cottura, forni e cucine. Il dispositivo di controllo è del tipo riportato nella parte introduttiva o cappello della annessa rivendicazione principale.

E' ben noto che un continuo controllo della potenza di un elemento riscaldante, particolarmente per elettrodomestici, è ottenibile mediante dispositivi di commutazione, particolarmente del tipo noto come convertitori abbassatori, i quali producono una tensione di uscita controllabile partendo da una sorgente in c.a. dopo raddrizzamento e filtraggio della relativa tensione alternata, e controllando il rapporto dei tempi "acceso/spento" di un contattore allo stato solido. Lo schema di base di un siffatto dispositivo è riprodotto nella figura 1; ove un ponte raddrizzatore DB ed il filtro capacitivo d'ingresso CF forniscono una tensione continua Vin partendo da una sorgente in c.a. Vac.

Il commutatore allo stato solido S, schematizzato per comodità rappresentativa come un interruttore statico, converte nel punto 1 la tensione continua Vin in una tensione pulsante ad alta frequenza il cui valore medio è inferiore o eguale a Vin. La tensione pulsante viene quindi filtrata dal filtro capacitivo/induttivo LO CO per ottenere una tensione continua ai capi dell 'elemento riscaldante, qui rappresentato dal resistore R1.

L'inconveniente principale di un tale dispositivo è che sulla rete si produce una corrente pulsante sia a bassa frequenza (per effetto del condensatore d 'ingresso CF) che ad alta frequenza (frequenza di commutazione ) per 1'azione del commutatore S. Ciò obbliga ad introdurre filtri passivi costosi ed ingombranti sulla rete che, a parte i costi, riducono il rendimento del processo di conversione. E' altresì nota l'esistenza di una topologia di convertitori della potenza che permette di gestire lo stesso livello di potenza richiesto dalla particolare applicazione, ma con una ridotta ampiezza della corrente pulsante all'ingresso dello stadio convertitore. Una tale topologia è ampiamente descritta in US-A-4.184 .197, 4.186.437 con riferimento all'US-A-4.274.133 a colonna 5 e figura 9C viene descritta una possibile variante di tale topologia che fornisce una funzione di trasferimento di abbassamento, mentre a colonna 4 e figura 7 è riprodotta una soluzione equivalente ma ad induttanza accoppiata. Per completezza quest'ultima è riportata nella annessa figura 2. Le induttanze e L2 possono essere accoppiate o non accoppiate tra loro. Questa nota topologia ha 1'intrinseco vantaggio di ridurre l 'EMI d'ingresso nella sorgente della tensione e l'EMI di uscita nel carico, principalmente se le induttanze ed L2 (di figura 2) sono accoppiate con un ben definito fattore di accoppiamento. Tuttavia il noto convertitore ora descritto richiede di essere alimentato con una tensione continua pura, come è rappresentato dalla batteria Vg, cioè da una tensione priva di ondulazione, ciò comportando l'uso di ulteriori onerosi filtri nel caso che venisse utilizzato un ponte raddrizzatore per fornire dalla rete la tensione continua.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare una particolare topologia atta alla conversione controllabile della potenza di una particolare per elettrodomestici. la quale topologia si contraddistingue per un basso EMI nella sorgente in c.a., per un fattore di potenza unitario per la sua semplicità (significativa di bassi costi) e per il suo elevato rendimento, cosa questa che è particolarmente importante quando vengono coinvolti alti livelli di potenza (ad es. da poche centinaia di Watt o a qualche KiloWatt). Questo scopo oltre ad altri che meglio risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue vengono raggiunti da un dispositivo di controllo i cui aspetti inventivi sono riportati nella annessa rivendicazione.

L'invenzione sarà meglio compresa dalla seguente descrizione dettagliata, fornita a puro titolo esemplificativo, quindi non limitativo, di due preferite forme di realizzazione, riprodotte rispettivamente negli schemi elettrici delle figure 3 e 4 dell'annesso disegno, ove nelle figure 1 e 2 sono riprodotti gli schemi elettrici dei due noti dispositivi in precedenza discussi.

Con riferimento alla figura 3, Vac indica la sorgente di alimentazione in c.a. connessa con un ponte raddrizzatore DB, la cui tensione continua di uscita non filtrata è indicata con Vin e che è riprodotto nel diagramma A sia come onda intera (Vin) che come valore medio (Vm). L'uscita del ponte Dg è connessa con un induttore con ferro L1. In parallelo al ponte Dg ed all'induttore L1 si trovano un secondo induttore con ferro L2 ed un condensatore Cf e su altro ramo in parallelo un condensatore Co ed un interruttore statico S. In posizione intermedia i due paralleli sono connessi attraverso un diodo DF. L'elemento resistivo di carico RL è posto in parallelo al condensatore CO ed il parallelo è connesso in serie all'interruttore statico S. Al carico è applicata la tensione Vout rappresentata anch'essa in forma intera e come valore medio Vm out sul lato destro del disegno. Il transistore S costituisce un esempio di interruttore statico sulla cui base opera il segnale di comando Ton-Toff, riprodotto nello schema alla sua sinistra e fornito da un circuito di pilotaggio noto qualsiasi.

La soluzione di figura 4 si differenzia da quella della figura 3 per il solo fatto che i due induttori sono accoppiati attraverso il ferro comune e possono esere un solo induttore con presa intermedia.

In entrambi i casi, la sorgente in c.a. Vac (preferibilmente la tensione di rete ) viene raddrizzata dal ponte Dg. La tensione Vin dopo il ponte è raddrizzata, ma non livellata ed ha un valore medio pari a 2/π del valore massimo della tensione della sorgente in c.a. Vac. La tensione Vout applicata al carico RL sarà anch'essa una tensione continua raddrizzata ma non livellata (come rammostrano i diagrammi relativi riportati in figura 3), ma il suo valore medio Voutm potrà essere inferiore o al massimo eguale al valore medio di Vin (cioè Vinm) in funzione del rapporto temporale acceso/spento dell'interruttore statico S riprodotto come transistore (vedi diagramma sul lato sinistro dell'interruttore S in figura 3). In questo modo controllando il rapporto temporale acceso/spento dell'interruttore S si consegue il controllo della tensione ai capi dell'elemento riscaldante RL, tensione che può variare da zero a Vin. La potenza fornita a RL sarà conseguentemente controllata tra 0 ed il quadrato del valore efficace di Vin diviso RL-La corrente pulsante prodotta dalla commutazione dell'interruttore statico S viene filtrata dai due induttore ed L2, che possono anche essere accoppiati (figura 4) per ridurre ulteriormente L'ondulazione . E' da notare che la corrente nel carico RL è pulsante, ma ciò non costituisce un problema data la natura resistiva del carico. Ad ogni modo attraverso opportuna scelta del valore del condensatore livellatore CQ è possìbile ridurre la pulsazione della corrente nel carico ad un livello accettabile.

Il fattore di utilizzazione dell'interruttore S (rapporto dei tempi acceso/spento) è mantenuto costante così come la frequenza di commutazione per ogni desiderato livello di potenza fornita al carico RL. In questo modo la corrente che circola nella sorgente Vac (cioè nella rete alternata che alimenta il convertitore) sarà sinusoidale poiché, a fattore di utilizzazione costante, il convertitore si comporta come una impedenza fissa (praticamente come un resistore) visto dalla sorgente in c.a. Vac conseguendosi così un fattore di potenza praticamente unitario.

Il dispositivo è di configurazione semplice in quanto necessita solo di un interruttore statico S (che può essere un transistore, un MOS di potenza e simili), un diodo volano (DF), due piccoli condensatori (CO e Cp) e due induttori (che possono essere ridotti in pratica ad uno accoppiandosi e provvedendo una semplice presa intermedia ). Ne consegue che esso è realizzabile a basso costo ed è quindi particolarmente adatto per 1'uso in elettrodomestici .

Va infine notato che opportunamente scegliendo i valori del condensatore CF e degli induttori ed 1.2 è possibile ottenere l'accensione di S ed il corrispondente spegnimento del diodo volano DF al passaggio di zero della corrente. Ciò significa che le perdite di commutazione negli interruttori semiconduttivi sono fortemente ridotte.

Il risultato finale della configurazione qui proposta è quindi una somma di benefici che si estrinsecano nella semplicità, nel rendimento assai elevato, nel fattore di potenza unitario e nel ridotto EMI nella sorgente di alimentazione in c.a ..

Come già detto in precedenza il circuito consente di eliminare l'impiego di grosse capacità all'uscita del ponte raddrizzatore e di ottenere un fattore di potenza unitario a fattore di utilizzazione costante.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONE Dispositivo di controllo di elementi riscaldanti, in particolare per l'impiego in elettrodomestici, quali ad es. cucine, piani di cottura, forni e simili, comprendente un contattore pilotato (S) in serie al carico (RL), un primo condensatore (CO ) fungente da filtro in parallelo al carico (RL), un secondo condensatore (CF) fungente da volano funzionalmente in serie al carico (RL) ed al condensatore (CO), questi due tra essi in parallelo, ed almeno un mezzo induttore (L1,L2) in serie al carico (RL) caratterizzato dal fatto che: a) il contattore pilotato (S) è un interruttore statico atto quindi ad assumere uno stato aperto ed uno chiuso; b) che è previsto un induttore (L2) in parallelo al carico o, in alternativa, una sezione (L2) del mezzo induttore (L1,L2 ) è in parallelo al carico; c) che è previsto un diodo volano (DF) connesso tra un punto intermedio fra induttore o sezione (L2) e condensatore volano (CF), ed un punto intermedio tra carico (RL) ed interruttore statico (S), il tutto in modo che in uno stato di tale interruttore statico (S) la carica del condensatore volano (CF) avvenga attraverso il diodo volano (DF) il carico (RL) e l 'induttore (L1), mentre nell'altro stato avvenga la scarica di esso condensatore (Cp) attraverso il carico (R L) l'induttore (L2) e l'interruttore statico (S).