感應電流開關系統與開關方法
2024-02-11 13:20:15
專利名稱：感應電流開關系統與開關方法
技術領域：
本發明涉及電感器用的電流開關，更具體地說，涉及電感器用的快速電流開關。
在電感負載中，電流的快速換向乃是限制多種電力與機電系統性能的一個複雜工程問題。這樣一類系統包括無刷直流(DC)電動機、步進電動機、聲圈電動機以及磁頭。
無刷DC電動機與步進電動機是據電磁鐵與永磁鐵間反覆產生力的原理而運轉的。典型的情形是，有一組磁鐵隨機械負載運動，而另一組磁鐵則保持靜止。這裡的電磁鐵組是在一個極性上起動，得以產生對下遊永磁鐵的引力。隨著上述運動使兩組磁鐵會合時，電磁鐵中的電流便會由於繞組電流的換向而突然換向。此時，電磁鐵將吸引下一塊下遊的永磁鐵，產生同一方向中的運動。可以重複地繼續電流的換向，直到獲得所希望的運動結果。從電學觀點考慮，這類電機的繞組表示著驅動它的電路的電感負載。
kaszman的美國專利4584506號(1986，4，22)，Bergstrom等人的美國專利4710691號(1987，12.1)以及Nebgen於《IBM Technilol Disclosure Bullefin》，24卷，1A期(1981，6)中所公開的技術，都闡述了先有技術中電動機用的電感器驅動電路。
磁頭的繞組在記錄數據晨也表示驅動電路的電感負載。傳統上，這樣的電感特徵在局限於典型的電源電壓下，會使電流的上升時間受到限制。由這一磁頭產生的磁場正比於磁頭繞組中的電流，而磁頭的電感則限制著整個記錄系統的數據速率。
磁頭中的電感問題在磁碟機工業中的各個環節上都是顯而易見的。小型的磁碟機通常採用鐵氧體磁頭，後者具有很高的電感(幾個微亨)，從而將數據速率限制到約1.25兆比/秒。解決的方法之一是採用具有較低電感的薄膜磁頭，但是價格就要高的多。
業已周知，在此種技術中通過提高電源電壓能實現較快速的開關。高壓電源是很費錢和不可靠的，而且是不能用於大多數覆罩著磁碟機的計算機機殼之內的。此外，在由電源到地面的很大的電壓降之中，會消耗較大的功率。對於小型的，電池供電的可攜式磁碟機來說，是無法實現這樣特大之功率的。
通過計算時間常數(電感/電阻)可以證明磁頭的電感會對數據速率起限制作用。例如，典型的鐵氧體磁頭具有2.5微亨(UH)的電感，為了達到記錄場強則需要有50毫安(mA)的電流。要是電源電壓在磁碟機的電壓下降後為3伏，則接地電阻為60歐(ohm)，致上升時間(L/R)等於40毫微秒(ns)。此上升時間在頻率為3兆赫(MHz)下對於僅僅是1.25兆比/秒的數據速率是足夠了。
Baileg等人在《IBM Technilal Disclosare Bulletiu》，23卷，11期(1981，4)中，給出了先有技術中磁頭用的一種典型的電感器驅動電路。
為了改進電動機與磁頭之類電力裝置的性能，需要一種能實現較高電流開關速率的電感器驅動電路。
根據本發明，使一電容為C的電容器與一電感為L的電感器並聯。在此電感器上連接著一第一與第二開關。第一開關連接一第一電流源，按一第一方向給此電感器提供電流。第二開關連接一第二電流源，按一第二方向為此電感器供應電流。在這兩個第一與第二開關上連接有一開關控制器，用來控制它們的定時開閉。此種開關控制器使上述第一與第二開關依次交替地斷開與閉合，並在其中一個開關斷開的時刻與另一個開關閉合的時刻之間，等待π(LC)1/2秒一段時間。結果是，本發明利用了此電感器與電容器之間的諧振，得以使電感器中的電流方向快速換向。
為便於較全面地理解本發明的本質與優點，應參看下面聯繫附圖所作的詳細說明。在附圖中，
圖1是說明本發明工作原理的電路圖;
圖2是一定時曲線圖，說明本發明中前述兩開關與電感器中之電壓和電流的關係;
圖3是本發明一實施例的電路圖;
圖4為本發明另一實施例的電路圖;
圖5為本發明用於一步進電動機中時的電路圖;
圖6A是先有技術中一電動機的電流一時間曲線圖;
圖6B是先有技術中一電動機的電壓一時間曲線圖;
圖7A是本發明中一電動機的電流一時間曲線圖;
圖7B是本發明中一電動機的電壓一時間曲線圖;
圖8A是本發明中一電動機的電流一時間曲線圖;
圖8B是本發明中一電動機的電壓一時間曲線圖;
圖9是本發明用於一記錄系統中的時的電路圖;
圖10A是先有技術中一磁頭的電流一時間曲線圖;
圖10B是先有技術中一磁頭的電壓一時間曲線圖;
圖11A是本發明中一磁頭的電流一時間曲線圖;
圖11B是本發明中一磁頭的電壓一時間曲線圖;
圖12A是本發明中一磁頭的電流一時間曲線圖;
圖12B是本發明中一磁頭的電壓一時間曲線圖;而圖13是本發明另一實施例的電路圖。
下面描述本發明的最佳實施例。
圖1示明了本發明的一種廣義電路，用一個總的參考號數10標明。此電路10包括一電感為L的電感器12，後者與一電容為C的電容器14並聯。電流源20經開關22與電感器12連接。此電流源20於一第一方向中給電感器12提供電流。電流源24經開關26與電感器12連接。此電流源24於一第二方向中供給電感器12電流。
圖2是表明電路10定時關係的曲線圖。線50表示開關22相對於時間的位置。線52表示開關26相對於時間的位置。線60表示電感器12兩端的電壓與時間的關係。線62表示通過電感器12中的電流與時間的關係。
現在可以說明電路10的工作原理。本發明利用電感器12與電容器14之間的諧振來實現電感器12中的電流快速換向。開關22與26的斷開與閉合在時間上與電感器12和電容器14間的諧振周期之半重合。設T為相應磁場間的轉移時間，即能量從電感器12流至電容器14再返回電感器12的時間。於是T＝π(LC)1/2。此兩開關中之一斷開與另一閉合之間的時間(t2-t3與t4-t5)設定為近似地等於T。
圖3為本發明的一種最佳電路的示意圖，由一總的參考號數100標明。電感為L的電感器102與電容為C的電容器104並聯。電壓源110經一P溝道場效應電晶體112與一二極體114連立電感器102的第一側。在電壓源110與電感器102的第二側之間連接有一P溝道場效應電晶體116和一二極體118。在電感器102的第一側上連接一N溝道場效應電晶體122。在此電晶體122與地面之間連接著一電阻器124，而在此電阻器124與電感器102的第二側之間則連接著N溝道場效應電晶體126。電晶體112、116、122與126則最好是金屬氧化物半導體場效應電晶體。
下面介紹電路100的作業。首先，於時刻t1，在節點140處將一正X信號施加到電晶體112與122的柵上，同時在節點142處將一零X信號施加到電晶體116與126的柵上。驅動了電晶體112與126而未驅動電晶體116與122。電流經電晶體112、二極體114、電感器102、電晶體126與電阻器124流至地中。此電流從左至右流經電感器102。
於時刻t2，逆轉上述兩個信號。現在把正X信號加到電晶體116與126上，而把零X信號加到電晶體112與122上。驅動了電晶體116與126而未驅動電晶體112與122。但是，二極體118將阻塞從電晶體116流出的電流。此二極體的電性質是，當它上面的電壓為負時將阻塞電流流動。在時刻t2與t3之間(見圖2)，二極體118將經壓一負電壓，不允許直電流流入電感器102。電感器102與電容器104是隔離的，並將發生諧振。電能從電感器102傳輸到電容器104然後返回，按反向驅動電感器102。完成這一作業的時間是上述諧振的周期或者T＝(LC)1/2之半。於時刻t3，電感器102兩端的電壓再次為零。二極體118將不再經歷一負電壓，此時將允許電流從電晶體116流出，經電感器104，從右到左，流過電晶體122與電阻器124至地。此流經電感器102的電流業已換向。
要是希望再次改變電流方向，可在時刻t4，將正Z信號再次加到電晶體112與122上，同時把零Z信號加到電晶體116與126上。電晶體112與126被驅動，而電晶體116與122則未被驅動。二極體114此時經受一負電壓並將在時刻t4與t5之間阻塞電流。電感器102與電容器104交再此隔離，並將以一段時間T＝π(LC)1/2諧振。於時刻t5，二極體114經歷了零電壓，此時將使電流從電晶體112流出，經電感器102，從左至右，通過電晶體126與電阻器124至地。
將電路100與廣義電路10作一比較是有益的。電晶體112與126等價於開關22。電晶體116與122則等價於開關26。二極體114與118有效地為這兩個開關提供定時控制。這樣就不要複雜的定時電路了，結果獲得一種元件個數最少並能在電感器中實現快速電流換向的緊緻電路。
圖4示明本發明的另一種電路，標以總的參考號數200。將一電感為L的電感器202與一電容為C的電容器204並聯。此電感器204的第一端連至一電壓源210，此電壓源的電壓為VS/2。電壓源220則經一電阻器221、P溝場效應電晶體222與二極體224連主電感器202的第二側。在二極體230與地之間連接一N溝場效應電晶體232。電晶體222與232最好是金屬氧化物半導體場效應電晶體。
電路200的工作與電路100類似。於時刻t1，將一正信號Z加到電晶體222與232的柵上。驅動了電晶體222而未驅動電晶體232。電流從電壓源220流出，經電阻器221、電晶體222、二極體224，通過電感器202，從左至右，到電壓源210。在時刻t2，將零信號加到電晶體222與232上。電晶體232被驅動，而電晶體222外未被驅動。二極體230在時刻t2與t3之間阻止著電流流動，同時電感器202與電容器204遇諧振π(LC)1/2秒。於時刻t3，電流從源210流出，經電感器202從右向左，通過二極體230、電晶體232至地。於時刻t4，再次將正信號Z加到電晶體222與232上。電晶體222被驅動勵，而電晶體232未被驅動。二極體224在時刻t4與t5之間阻止電流流動，而電感器202與電容器204諧振π(LC)1/2秒。於時刻t5，電流從電晶體222流經二極體224，經電感器202，從左向右，到電壓源210。
下面的分析表明採用本發明優於先有技術之處。相關的物理量定義為下L＝繞組電感，R＝總的串聯電阻，I＝繞組中的電流，RT＝電流的上升時間，Vs＝電源電壓C＝諧振電容Vi＝感生電壓的振幅以下各方程表示本發明的和先有技術的物理量之間的基本關係1/2＊CVi2＝1/2＊LI2，RT＝L/R，對於先有技術;而RT＝π(LC)1/2，對於本發明。
於磁頭繞組中使電流換向所需的時間可由以上基本方程導出，給出
RT＝LI/VS，對於先有技術;而RT＝πLI/Vi，對於本發明。
本發明的上升時間較先有技術的為優，是後者的πVs/Vi倍。考慮一種有12伏電源的步進電動機。可資利用的包括二極體與電晶體在內的元器件，可以在360伏感生電壓下操作。因此，對本發明說來，上述電動機的開關速率可提高8.5倍。
再來考慮一具有5伏電源的磁頭。易於獲得能在300伏感生電壓下作業的磁頭與有並的元器件。利用本發明，上述磁頭的開關速率可以提高14倍。
圖5示意地表明了本發明的步進電動機系統，以總的參考號數300標明。系統300包括一機械式步進電動機310，這可以採用日本Shimano Kenshi公司生產的一種STH-39D002電動機。電動機310有一永磁轉子312和一批磁繞組314與316。為便於圖示，只表明了兩個繞組314與316。正如本項技術中周知的，繞組314與316包括著眾多圍繞轉子312周邊串聯排定的交錯的繞線。
電路320包括一電壓源322，電晶體324、326、328、330，一對二極體332與334，電阻器336，電容器338以及繞組314。電路320與圖3中的電路100類似，只是用繞組316置換了電感器102。電路350包括一電壓源352，電晶體354、356、358、360，一對二極體362與364，電阻器366，電容器368與繞組314。此電路350與圖3中之電路100類似，只是以繞組314取代了電感器102。
在電壓源362與地之間連接一雙極電晶體360。晶體和360則連接著電晶體324與326。雙極電晶體364則連在電壓源366與地之間。電晶體364連接著電晶體328與330，雙極電晶體370連接在電壓源372與地之間。此電晶體370還連接著電晶體354與356。雙極電晶體374連接在電壓源376與地之間。此電晶體374還連接著電晶體358與360。
用一雙穩態多諧振蕩器380連接電晶體360與364。同時用一雙穩態多諧振蕩器382連接電晶體370與374。以一變換器386連接以雙穩態多諧振蕩器382的脈衝輸入。方形波發生器390則連接著雙穩態多諧振蕩器380的鐘脈衝輸入與變換器386。
現在可以來認識系統300的作業。發生器390在頻率2F下輸出一方形波信號。此信號給雙穩態多諧振蕩器380提供了鍾脈衝。此信號為變換器386變換，給雙穩態多諧振蕩器382提供鍾脈衝。雙穩態多諧振蕩器380輸出一相位A信號給電晶體360，輸出一相位A信號給電晶體364。相位A與A在頻率F下為方形波，是有180度的相位差。雙穩態多諧振蕩器382輸出一相位B信號給電晶體370，輸出一相位B信號給電晶體374。相位B與B信號在頻率F下為方形波，具有180度的相位差。相位B信號滯後於相位A信號90度。相位A與A信號促致電晶體360與364以類似於對於圖3中電路100所述的作業，交替地驅動電路320的電晶體。相位B與B信號促致電晶體370與374，以與圖3中就電路100所描述的相似作業，交替地驅動電路350的電晶體。結果使繞組314與316中的電流快速換向，其中繞組314中的電流換向在相位上滯後於繞組316中的電流換向90度。這種電流換向使驅動著轉子。在本項技術中，由電流換向來驅動電動機屬周知的知識。但是，本發明中的電路320與350卻可使繞組314與316在高得多的頻率下驅動，這樣便能大大提高電動機310的最大轉速。
在另一實施例中，圖4中的電路200可用來取代系統300中的電路320與350。在這種情形下，只要求有相位A與相位B的信號。
圖6A與6B表明了先有技術中，一種典型的步進電動機之電感器繞組的電壓與電流相對於時間的關係。這種電感器繞組是由本項技術中周知的H型標準驅動電路所驅動，此種步進電動機工作時的最高速率為600步位/秒，而電感器是在600赫下激勵。此電感器是不能以更快的速率激勵的。注意到電流的倒向相當徐緩，而電流信號中的跳步約在7.0毫秒。
圖7A與7B示明了系統300的電感器316中電壓與電流相對於時間的關係。這種電動機也是以600步位/秒運行的(對於電感器316為600赫)。發電機390是在1200赫下驅動。可以注意到有很急劇的電流倒向。
圖8A與8B同樣示明系統300之電壓與電流關於時間的關係。這裡的電動機是按1500步位/秒的速率運行(對於電感器316為1500赫)。發電機390是在3000赫下驅動。注意到電流的倒向仍很急劇。本發明之電動機系統300能使此種電動機的速率性能提高2.5倍。
圖9示明本發明一數據記錄系統的示意圖，以總的參考數號400標明。系統400包括一以可轉動方式安裝於一立軸404上的記錄磁碟402。記錄磁碟402可以是一普通磁碟。軸404接裝到一帶動它轉動的主軸電動機406上。電動機406接附到一磁碟驅動器410上，聲圈電動機412接附到一傳動臂414上。聲圈電動機412便臂414於磁碟402上依徑向運動，在臂414的端部上裝設著磁頭416，在電學上把它看為一電感器的繞組。
電路430包括一電壓源432、電晶體434、436、438、440，一對二極體442與444，電阻器446，電容器448以及磁頭416。電路430與圖3中之電路100類似，但此磁頭416轉換了電感器102。在電壓源462與地之間連接一雙極電晶體460。在電晶體460連接到電晶體434與436上。在電壓源472與地之間連接一雙極電晶體470。電晶體470連接著電晶體438與440。有一變換器480與電晶體470相連。同時有一數據傳輸線482連接著電晶體460與變換器480。
現在可以來認識系統400的作業。以數字數據加到傳輸線482上。雙極電晶體460與470分別以類似對於圖3中線路100所述的操作。交替地驅動電晶體434、436、438與440。於是，電感器磁頭416中的電流迅速反向而將數據記錄入到磁碟402上。
在另一實施例中，可以用圖4中的電路200置換此系統400中的電路430。
圖10A與10B表明了常規記錄系統中所用磁頭之電流與電壓的示波圖。其中之磁頭的電感為L＝2.5微亨，而電阻R＝4.3歐。此磁頭以4兆赫驅動。注意到電流的倒向相當徐緩。
圖11A、11B12A與12B示明系統400中磁頭416之電流與電壓的示波圖。此磁頭416採用前面在圖10A與10B中用於測量目的的同一種電感器磁頭。磁頭416在圖11A與11B中於4兆赫下驅動，在圖12A與12B中於8兆赫下驅動。圖12A與12B中的波形質量足以保證記錄頻率，並表明相對於常規電路頻率已至少加倍。
圖13示明了本發明另一實施例的電路圖，標以總的參考號數500。電路500的元件與圖3中電路100的元件類似，於相對應的參考號數的右上角加撇標明。電路500中有一連接在結點140′與電晶體112′間的延遲線510，以及連接在結點142′與電晶體116′之間的延遲線512。也可採用其它類型的信號延遲器件。
當要求有極高頻率的電流開關時也可採用電咱500。在頻率低於1兆赫時，電路100的元件起到近似理想元件的作用。但當此種開關頻率超過1兆赫時，由於電晶體與二極體的非線性行為，上述元件就不能那麼理想地進行工作。此種非線性行為的起因在於已存儲之電荷與電阻效應，它們會在電流與電壓波形中造成一種與時間相關的相移。
電咱500通過對電晶體112′與116′給信號提供了稍許延遲。此種延遲乃是電路循環時間的一個很小的百分數。在一個最佳實施例中，這樣的延遲有可能達10至20毫微秒。這樣小的延遲使得此電路的LC(感容)部分在其發生諧振之前預先充電。預先光電的結果有效地使電路之電壓與電流波形發生相移，以補償非線性效應導致的相移。
圖4中的電路200適用於在較高頻率下按類似的方式工作。這時的延遲器件可插入於X信號源與電晶體222之間。最終所成的電路同樣會有電路500中所示的預先充電效應。
儘管已通過附圖詳述了本發明的最佳實施例，但顯然，任何熟悉本項技術的人在不脫離本發明按後附權利要求書所陳述的範圍內，是可以對這些實施例作出變動與修改的。
權利要求
1.一種感應電流開關系統，特徵在於包括有電感為L的電感器；與電感器並聯的電容為C的電容器；與電感器連接依一第一和第二方向為之提供電流的電流源；與電流源相連接的電流控制裝置，它允許電流於第一方向中流過此電感器，終止此電流約π(LC)1/2秒，然後使電流以第二方向流過此電感器。
2.如權利要求1所述的系統，特徵在於上述電流控制裝置由電晶體組成。
3.如權利要求1所述的系統，特徵在於上述電流控制裝置包括一對二極體。
4.如權利要求1所述的系統，特徵在於此系統還包括步進電動機，上述電感器是此步進電勸機的繞組。
5.如權利要求1所述的系統，特徵在於它包括一磁數據存儲裝置，而前述電感器乃是此存儲裝置的轉換器頭。
6.一種感應電流開關系統，特徵在於它包括有一電感為L的電感器以及與之並聯的電容為C的電容器;與此電感器第一側連接的第一二極體;與此電感器第二側連接的第二二極體;連在一電壓源與此第一二極體之間的第一電晶體;連在此電壓源與此第二二極體之間的第二電晶體;連在地與此電感器第一側之間的第三電晶體;連在地與此電感器第二側之間的第四電晶體;以及與第一、二、三、四電晶體相連的一種電晶體控制裝置，用來驅動第一與第四電晶體而不驅動第二與第三電晶體，然後再驅動第二與第三電晶體，但不驅動第一與第四電晶體。
7.如權利要求6所述的系統，特徵在於它包括步進電動機，而前述的電感器乃是此步進電動機的繞組。
8.如權利要求6所述的系統，特徵在於它包括一種磁數據存儲裝置，而前述的電感器乃是此數據存儲裝置的轉換器頭。
9.如權利要求6所述的系統，特徵在於它包括連在在所述電晶體控制裝置與第一電晶體之間的第一延遲器件。
10.如權利要求6所述的系統，特徵在於所述電晶體控制裝置在第一與第四電晶體的開關和第二與第三電晶體的開關之間有一時間補償。
11.一種感應電流開關系統，特徵在於它包括一電感為L的電感和一與之並聯的電容為C的電容器;與此電感器第一側相連的第一二極體;與此電感器第一側相連的第二二極體;與一第一電壓源和此第一二極體相連的第一電晶體;與此第二二極體和地相連的第二電晶體;與上述電感器第二側連接的第二電壓源;以及與前述第一和第二電晶體連接的一種電晶體控制裝置，用來驅動此第一而不驅動此第二電晶體，然後驅動此第二而不驅動此第一電晶體。
12.如權利要求11所述的系統，特徵在於它包括一種步進電動機，而所說的電感器乃是此步進電動機的繞組。
13.如權利要求11所述的系統，特徵在於它包括一種磁數據存儲裝置，而所說的電感器乃是此數據存儲裝置的轉換器頭。
14.如權利要求11所述的系統，特徵在於它包括有連接在所說電晶體控制裝置與第一電晶體之間的第一延遲器件;以及在此電晶體控制裝置與第二電晶體之間的第二延遲器件。
15.如權利要求11所述的系統，特徵在於所說的電晶體控制裝置在第一與第四電晶體的開關和第二與第三電晶體的開關之間有一時間補償。
16.用來使通過一電感為L之電感器的電流換向的方法，特徵在於它包括以下步驟，使一電容為C之電容器與此電感器並聯;將一第一電流源連立此電感器上，使得電流依一第一方向流過此電感器;終止來自此第一電流源的電流流動;在允許依一第二方向從一第二電流源流至此電感器之前，等待一段近似π(LC)1/2秒的時間。
17.一種感應電流開關系統，特徵在於它包括一種數據記錄介質;一種電感為L的電感器磁頭;與上述磁頭和介質相連接用來使此磁頭於介質上運動的運動裝置;與此電感器並連的電容為C的電容器;與此電感器相連的第一開關;與此電感器相連的第二開關;與此第一開關相連依一第一方向用來給電感器提供電流的第一電流源;與此第二開關相邊依一第二方向為此電感器供給民流的第二電流源;以及一種開關控制裝置，它連接著上述第一與第二開關用來以交替方式閉合與斷開此第一與第二開關，使得在這兩個開關均斷開時約經過π(LC)1/2秒。
18.用來使通過一電感器之電流換向的方法，特徵在於它包括以下步驟，設置一電感器、一與此電感器並聯的電容器以及一電流源;從此電流源將一第一極性之電流供給此電感器以產生一磁場;終止此第一極性之電流的流動使磁場換向，一旦通過此電感器與電容器間的能量互換使此磁場換向後，即由此電流源給電感器供給一第二極性的電流，使此已換向的磁場保持到下一次的磁場換向。
19.一種感應電流開關系統，特徵在於它包括一電感器;一與此電感器並聯的電容器;一與此電感器相連用來將一第一與第二極性電流供給此電感器的電源;以及控制裝置，它與上述電流源相連，用來終止第一極性電流流向此電感器，通過此電感器與電容器間的互換能量使相應磁場換向，並提供第二極性的電流將此已換向之磁場保持到下一次的磁場換向。
20.一種感應電流開關系統，特徵在於它包括一電感為L之電感器;與此電感器並聯的電容為C的電容器;與此電感器相連的第一開關;與此電感器相連的第二開關;與此第一開關相連按一第一方向給此電感器供給電流的第一電流源;與此第二開關相連按一第二方向給此電感器供給電流的第二電流源;以及連至此第一與第二開關的開關控制裝置，用來依交替方式閉合與斷開此第一開關然後再閉合與斷開此第二開關，使得在此兩個開關斷開時約經過π(LC)1/2秒。
全文摘要
與一電容器並聯之電感器。按相對方向為此電感器提供電流的第一與第二電流源。允許此電感器與電容器在應用第一與第二電流源之電流中間的一段時間內諧振，由此來實現快速的電流換向。
文檔編號H03K17/04GK1065960SQ9210184
公開日1992年11月4日 申請日期1992年3月19日 優先權日1991年4月19日
發明者大為·切克特·程, 塔瑞克·馬肯思, 馬斯詹比·斯利-傑亞薩 申請人:國際商業機器公司