БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G05F3/22 H02M7/12 

Изобретение относится к вторичным источникам электропитания, в частности, предназначенным для питания электронных счетчиков электроэнергии, электронных вольтметров и ваттметров, различных реле защиты и автоматики, питаемых от контролируемой сети,
Основной особенностью таких устройств является наличие общей точки с сетью.

Известны источники питания, содержащие трансформатор, выпрямитель и фильтр (1). Наличие трансформатора позволяет при необходимости соединить нейтральный провод сети с общей точкой источника. Однако именно наличие трансформатора является основным недостаткам таких источников, так как увеличивает их габариты и стоимость.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является бестратрансформаторные источники питания, содержащие баластный элемент (резистор или чаще конденсатор) для гашения избыточного напряжения, а также выпрямитель и фильтр (2).

При двухполупериодном выпрямлении такие источники не имеют общей точки с сетью. Общую точку можно создать при однополупериодном выпрямлении (1), однако в этом случае вдвое уменьшается выходная мощность источника и возрастают пульсации выходного напряжения.

Задачей изобретения является создание бестрансформаторного источника электропитания, имеющего общую точку с сетью, и с выходной мощностью и коэффициентом пульсаций практически соответствующим двухполупериодному выпрямлению.

Поставленная задача решается в бестрансформаторном источнике питания, содержащем последовательно соединенные балластный элемент и первый преобразовательный блок, состоящий из выпрямительного диода, первый вывод которого использован в качестве входа первого преобразовательного блока, и фильтрующего конденсатора, при этом вход баластного элемента соединен с первым выводом для подключения источника питания, второй вывод для подключения источника питания, и первый и второй выводы для подключения первой нагрузки, причем вторые выводы для подключения источника питания и вывод для подключения первой нагрузки объединены и соединены с общей шиной, а первый преобразовательный блок снабжен накопительным конденсатором, двумя развязывающими диодами, транзистором и двумя резисторами, причем развязывающие диоды включены согласно-последовательно в обратном направлении параллельно фильтрующему конденсатору, выводы которого использованы в качестве выхода первого преобразовательного блока и соединены соответственно с первым выводом для подключения первой нагрузки и общей шиной, накопительный конденсатор первым выводом подключен к общей точке развязывающих диодов, а другой вывод накопительного конденсатора вместе с эмиттером транзистора соединен с вторым выводом выпрямительного диода, база транзистора через первый резистор подключена к первому выводу выпрямительного диода, а коллектор через второй резистор соединен с первым выводом для подключения первой нагрузки, при этом транзистор включен согласно с выпрямительным диодом.

Для получения второго выходного напряжения другой полярности бестрансформаторный источник дополнительно содержит второй преобразовательный блок, выполненный аналогично первому преобразовательному блоку, и выводы для подключения второй нагрузки, соединенные с выходом второго преобразовательного блока, причем один из выводов для подключения второй нагрузки подключен к общей шине, первый и второй преобразовательные блоки включены ко входу параллельно, а транзисторы в первом и втором преобразовательных блоках имеют противоположный тип проводимости.

Именно за счет введения накопительного конденсатора, двух развязывающих диодов, транзистора и двух резисторов и соответствующего вышеупомянутого подсоединения к другим элементам схемы решается задача создания бестрансформаторного источника питания, имеющего общую точку с сетью, и с выходной мощностью и коэффициентом пульсаций, практически соответствующим двухполупериодному выпрямлению.

Действительно, применение накопительного конденсатора, подзаряжающегося синхронно и тем же током с фильтрующим конденсатором и отдающему ему часть своего заряда при закрытом выпрямительном диоде, создает эффект двухполупериодного выпрямления.

Принципиальная электрическая схема устройства в двухканальном (с положительной и отрицательной полярностью выходного напряжения) исполнении показана на чертеже.

Заявляемое устройство содержит баластный элемент 1 (резистор или конденсатор, иногда может быть применена индуктивность) и два симметричных преобразовательных блока 2 и 3 (для положительной и отрицательной полярности выходного напряжения соответственно).

Каждый преобразовательный блок содержит выпрямительный диод 4, накопительный 5 и фильтрующий 6 конденсаторы, развязывающие диоды 7 и 8, транзистор 9 (р п р для положительной и п р п для отрицательной полярностей выходного напряжения) и резисторы 10,11. Источник питания имеет также выводы 12 и 13 для подключения к сети и выводы 14,15 для подключения нагрузок. Выводы 13 и 15 объединены и образуют "общую шину".

Сетевое напряжение (как правило, 220 В) подается в преобразовательные блоки 2,3 через баластный элемент, служащий для гашения избыточного напряжения, так как выходное напряжение источника, снимаемое с конденсатора 6, составляет обычно 5-20 В (для питания электронных схем). Развязывающие диоды 7,8 включены согласно последовательно в обратном направлении параллельно конденсатору 6. Конденсатор 5 подключен между средней точкой диодов 7 и 8 и общей точкой диода 4 и эмиттера транзистора 9, база которого через резистор 10 подключается к диоду 4 со стороны переменного тока, а коллектор через резистор 11 к конденсатору 6.

Поскольку схема симметрична рассмотрим ее работу для одного, например, положительного выходного напряжения (блок 2).

В установившемся режиме в положительную полуволну тока, когда диод 4 открыт, накопительный 5 и фильтрующий 6 конденсаторы включены последовательно и подзаряжаются от сети через баластный элемент 1 и открытые диоды 4 и 7. При этом диод 8 и транзистор 9 закрыты, т.к. к его базе прикладывается прямое падение напряжения на диоде 4 положительной полярности относительно эмиттера.

В отрицательную полуволну тока, когда диоды 4 и 7 закрыты, открывается транзистор 9 (за счет базового тока под действием отрицательного напряжения на диоде 4) и конденсатор 5 через транзистор 9, резистор 11 и диод 8 отдает часть своего заряда конденсатору 6, т.е. конденсатор 6 подзаряжается в оба полупериода сетевого напряжения.

При относительно малом в сравнении с напряжением сети напряжении на конденсаторах 5 и 6 сеть и баластный элемент по существу являются источником тока, поэтому мощность заявляемого устройства и соответственно коэффициент пульсаций оказываются практически такими же, что и при двухполупериодном выпрямлении, при этом выходные напряжения имеют общую точку с сетью. При необходимости каждый канал может быть снабжен стабилизаторам выходного напряжения (на схеме не показано).

В одноканальном исполнении при использовании в качестве баластного элемента 1 конденсатора или индуктивности целесообразно для возврата реактивной энергии в сеть устанавливать диод 16 (как показано на фигуре пунктиром для положительного выходного напряжения).

Испытание лабораторного образца заявляемого устройства подтвердило его работоспособностью и решение поставленной задачи.

Использование: во вторичных источниках электропитания, в частности, предназначенных для питания электронных счетчиков электроэнергии, ваттметров и вольтметров, различных реле защиты и автоматики, питаемых от контролируемой сети. Сущность изобретения: источник содержит балластный элемент и преобразовательные блоки, каждый из которых состоит из выпрямительного и двух развязывающих диодов, транзистора, двух резисторов и накопительного и фильтрующего конденсаторов. Развязывающие диоды включены согласно последовательно и в обратном направлении параллельно фильтрующему конденсатору. Накопительный конденсатор подключен одним выводом к средней точке развязывающих диодов, а другой вместе с эмиттером транзистора к выпрямительному диоду со стороны входа преобразовательного блока. База транзистора через резистор подключена к выпрямительному диоду со стороны входа преобразовательного блока, а коллектор транзистора через резистор подсоединен к фильтрующему конденсатору. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Бестрансформаторный источник электропитания, содержащий соединенные последовательно балластный элемент и первый преобразовательный блок, состоящий из выпрямительного диода, первый вывод которого использован в качестве входа первого преобразовательного блока, и фильтрующего конденсатора, при этом вход балластного элемента соединен с первым выводом для подключения источника питания, второй вывод для подключения источника питания и первый и второй выводы для подключения первой нагрузки, отличающийся тем, что вторые вывод для подключения источника питания и вывод для подключения первой нагрузки объединены и соединены с общей шиной, а первый преобразовательный блок снабжен накопительным конденсатором, двумя развязывающими диодами, транзистором и двумя резисторами, причем развязывающие диоды включены согласно последовательно в обратном направлении параллельно фильтрующему конденсатору, выводы которого использованы в качестве выхода первого преобразовательного блока и соединены соответственно с первым выводом для подключения первой нагрузки и общей шиной, накопительный конденсатор первым выводом подключен к общей точке развязывающих диодов, а другой вывод накопительного конденсатора вместе с эмиттером транзистора соединен с вторым выводом выпрямительного диода, база транзистора через первый резистор подключена к первому выводу выпрямительного диода, а коллектор через второй резистор соединен с первым выводом для подключения первой нагрузки, при этом транзистор включен согласно с выпрямительным диодом. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что в него введен второй преобразовательный блок, выполненный аналогично первому преобразовательному блоку, и выводы для подключения второй нагрузки, соединенные с выходом второго преобразовательного блока, причем один из выводов для подключения второй нагрузки подключен к общей шине, первый и второй преобразовательные блоки включены по входу параллельно, а транзисторы в первом и втором преобразовательных блоках имеют противоположный тип проводимости.